Physiologie

Physiologie Band 2 Hormonale Regulation, Ernährung und Verdauung, Energie- und Wärmehaushalt

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Autor: Carm en Schre mmer Herau sgeber: M EDI-LEARN Bahnhofst raße 2 Gb. 35037 Ma rb urg jLahn Her st ellun g: MEOI-LEARN Kiel Dlbr ichtweg 11 . 2 4 145 Kiel Tel: 043 1/7 80 2 5-0 , Fax: 04 3 1/780 2 5 -27 E-M ail: r edaktion@medi-Iearn .de. www.medi-Iearn.de Verlagsredaktion: Dr. W altraud Haberbe rger, Jens Plasger, Christ ian We ier , Tobias Happ Fachlicher Beirat : PO Or. Andr eas Scholz Lekto rat : Eva Dr ude Grafiker : Irina Kart, Dr . Günte r K örtner , Alexander Oospä, Christ ine M arx Layout und Satz: Kjell W ierig. Angelika Lehle, Thorben Kühl Illustrati on: Daniel Lüdeling. Rippenspre izer.com Dr uck: Druckere i Wenzel. M arb urg 1. Auflage 2007 ISBN-10 : 3-938802-25-1 ISBN-13 : 9 78-3-938802-25-0

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W ichtiger Hinweis für alle Leser Die Med izin ist als Natu rw issenschaft ständ igen Veränderung en und Neuerung en unterworfen. Sowohl die Forschung als auch klinische Erfahrungen führen dazu. dass der W issensständ ständ ig erwe itärt wird . Dies gilt insbesondere für medikamentö se Therap ie und andere Behandlungen. Alle Dosier ungen oder Angaben in diesem Buch unterliegen diesen Veränderungen. Obwohl das M EDI-LEARN-TEAM größte Sor gfalt in Bezug auf die Angabe von Dosierungen oder Applikat ionen hat walt en lassen, kann es hierfür keine Gewähr übernehm en. Jeder Leser ist angehalten , durc h genaue Lektüre der Beipackzettel oder Rücksprache mit einem Spezialiste n zu überprüfen, ob die Dosier ung oder die Applikat ionsdauer oder -m enge zutrifft . Jede Dosier ung oder App likat ion erfolgt auf eigene Gefahr des Benutze rs . Sollte n Fehler auffallen, bitte n wir dr ingend dar um. uns darüber in Kenntn is zu setzen.

Vorwort

I 111

Vorwort Liebe Leser innen und Leser , da ihr euch entschlossen habt, den ste inigen Weg zum Med icus zu besc hreiten , mü sst ihr euch fr üher oder späte r sowoh l gedanklich als auch pra ktisch mit den wirklich üblen Begleiterscheinungen dieses ansonsten spannenden St udiums auseinander setzen, z.B. dem Physikum. Mit einer Durchfallquote von ca. 2 5% ist das Physikum die unangefoc htene Nummer eins in der Hitliste der zahlre ichen Selektionsmecha nismen. Grund genug für uns, euch durc h die vorliegende Skr ipten re ihe mit insgesamt 31 Bänden fachlich und lernstrategisch unter die Arme zu greife n. Die 3D Fachbände beschäftigen sich mit den Fächern Physik, Physiologie, Chemie, Biochemie, Biologie, Histo logie, Anato mie und Psychologie/Soziologie. Ein gesonderter Band der M EDI-LEARN Skriptenreihe widmet sich ausführ lich den Themen Lernstrateg ien, MGTechniken und Pr üfungsrhetorik. Aus unserer langjähri gen Arbeit im Bere ich pro fessioneller Prüfungsvor bere it ung sind uns die Prob leme der Studenten im Vorfe ld des Physikums bestens bekannt . Angesichts des enormen Lernstoffs ist klar , dass nicht 100% jedes Prüfungsfachs gelernt werden können. Weit weniger klar ist dagegen, wie eine M inimierung der Faktenflut bei gleichzeitiger Ma ximierung der Beste hensc hancen zu bewer kste lligen ist . Mit der MEDI-LEARN Skr ipt enr eihe zur Vorbereitung auf das Physikum haben wir dieses Prob lem für euch gelöst . Unsere Autoren haben durch die Analyse der bisherigen Examina den examensre levanten Stoff für jedes Prüfungsfach herausgefiltert. Auf diese We ise sind Skripte entsta nden, die eine kurze und prägna nte Darst ellung des Prüfungsstoffs liefern. Um auch den münd lichen Teil der Physikumsprüfung nicht aus dem Auge zu verlieren, wurden die Bände jeweils um Themen ergänzt, die für die mündliche Prüf ung von Bedeutung sind. Zusammenfassend können wir feststellen, dass die Kennt nis der in den Bänden gesammelten Fachinformat ionen genügt , um das Exame n gut zu bestehe n. Grundsätz lich empfeh len wir , die Examensvor ber eit ung in dre i Phasen zu gliedern. Dies setzt voraus, dass man mit der Vorbereitung schon zu Semesterbeginn (z.B.im April für das August-Examen bzw. im Oktober für das März-ExamenJ startet. Wenn nur die Semesterfer ien für die Examensvorbereitung zur Verfügung stehe n, sollte direkt wie unt en beschrieben mit Phase 2 begonnen wer den. • Phase 1 : Die erste Phase der Examensvorbereit ung ist der Er ar beit ung des Lern stoffs gewidmet. Wer zu Semest er beginn anfängt zu lern en, hat bis zur schr iftlichen Prüfung je drei Tage für die Erarbeit ung jedes Skriptes zur Verfügung. Möglicherweise werden einzelne Skripte in weniger Zeit zu bewältigen sein, dafür bleibt dann mehr Zeit für andere Theme n oder Fächer. Während der Erarbe itungsphase ist es sinnvoll, einzelne Sachver halt e durch die punktuelle Lektüre eines Lehrbuchs zu ergänzen. Allerd ings sollte sich diese punktuelle Lektüre an den in den Skripten dargeste llten Themen or ientieren! Zur Fest igung des Gelernten empfe hlen wir , bere its in dieser ersten Lern phase th emenweise zu kr euzen. Während der Arbeit mit dem Skript Physiologie sollen z.B. beim Thema "Sekret ion" auch schon Pr üfungsfragen zu diesem Thema bearbe itet wer den. Als Fragensa mmlung empfe hlen wir in dieser Phase die "Schwarzen Reihen". Die jüngst en dre i Examina sollten dabei jedoch ausgelassen und für den Endspurt (= Phase 3J aufgehoben werden. • Phase 2 : Die zweite Phase setzt mit Beginn der Semesterferien ein. Zur Festigung und Vertiefung des Gelernten empfeh len wir , täg lich ein Skr ipt zu wi ederh olen und para llel examenswe ise das betreff ende Fach zu kr euzen. Während der Bearbe itung der Physiologie (hierf ür sind sechs bis sieben Tage vorgesehenJ empfehlen wir , pro Tag jeweils ALLE Physiologiefragen eines Altexamens zu kreuzen. Bitte hebt euch auch hier die dre i aktuellsten Examina für Phase 3 auf. Der Lernzuwachs dur ch dieses Verfahr en wird von Tag zu Tag deutl icher erkennbar . Natü rlich wir d man zu Beginn der Arbe it im Fach Physiologie durch die tägl iche Bearbeitung eines kom pletten Examens mit Themen konfr onti ert, die möglicherweise erst in den kommenden Tagen wieder holt wer den. Dennoc h ist diese Vorge hensweise sinnvoll, da die Vor ab-Beschäfti gung mit noch zu wieder holenden Themen dere n Verarbeitungstiefe fördert.

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re. W

IV

I

Vorwort

• Phase 3: In der dritten und letzten Lernphase sollten die akt uellsten dre i Examina tageweise gekreuzt werden. Praktisch bedeutet dies, dass im tage weisen Wechsel Tag 1 und Tag 2 der aktuellsten Examina bearbe itet werden sollen. Im Bedarfsfall können einzelne Prüfungsinhalte in den Skripten nachgesch lagen werden . • Als Vorbereitung auf die mü ndlich e Prü fung können die in den Skripten entha ltenen .Basics für s Mündliche" wiederh olt werden. Wir wünschen allen Leser innen und Lesern eine erfo lgre iche Pr üfungsvorbereitung und viel Glück für das bevorstehende Examen ! Euer MEDI-LEARN-Team

Online-Service zur Skriptenre ihe Oie mehrbändige MEDI-LEARN Skriptenreihe zum Physikum ist eine wertv olle fachliche und lernstrategische Hilfestellung, um die ber üchtigte erste Prüfu ngshürde im Medizinstudium sicher zu nehmen. Um die Arbeit mit den Skripten noch angenehmer zu gestalten, bietet ein spezieller Online-Bereich auf den MEDI-LEARN W ebseiten ab sofort einen erweiterten Service. Welche erwe iterten Funktionen ihr dort findet und wie ihr damit zusätzlichen Nutzen aus den Skr ipten ziehen könnt , möcht en wir euch im Folgenden kurz erläutern. Volltext-Suche über alle Skr ipte Sämtliche Bände der Skript enr eihe sind in eine Volltext-Suche int egriert und bequem online recher chierbar: Ganz gleich, ob ihr fächerübergreifende Themen noch einmal Revue passieren lassen oder einzelne Themen punktgena u nachschlagen möcht et : M it der Volltext-Suche biete n wir euch ein Tool mit hohem Funktionsumfang, das Recherc he und Rekapit ulat ion wesent lich er leichte rt . Digitales Bildarc hiv Sämt liche Abbildungen der Skripte nre ihe ste hen euch auch als hochauf lösende Grafiken zum kost enlosen Download zur Verfügung. Das Bildmaterial liegt in höchster Qualität zum großformatigen Ausdruck bereit. So könnt ihr die Abbildungen zusätzlich beschriften, farb lich markieren oder mit Anmerkungen versehen . Ebenso wie der Volltext sind auch die Abbildungen über die Suchfunktion r echerchi er bar . Ergä nzungen aus den akt uellen Examina Oie Bände der Skripte nreihe werd en in regelmäßigen Abstän den von den Autoren online aktualisiert. Oie Einarbe itung von Fakten und Inform ati onen aus den aktuellen Fragen sorg t dafür , dass die Skr ipt enreihe immer auf dem neuesten Sta nd bleibt. Auf diese Weise könnt ihr eure Lernarbeit stets an den aktuellsten Erkennt nissen und Fragentendenzen or ientieren. Errata-Liste Sollt e uns trotz eines mehr stufigen Systems zur Sicher ung der inhaltli chen Qualität unserer Skripte ein Fehler unt erlaufen sein, wir d dieser unmittelbar nach seinem Bekanntwerden im Intern et veröffentli cht . Auf diese Weise ist sichergestellt , dass unsere Skripte nur fachlich kor rekte Aussagen enthalten, auf die ihr in der Pr üfung verlässlich Bezug nehm en könnt . Den Onlinebereich zur Skriptenreihe findet ihr unter www.medi-Iearn.dejskripte

Inhaltsverzeichnis

1 Hormonale Regulation

1

1.1

Chemische Einteilung der Hormone

1

1.2

Second Messenger und int r azellulär e Rezeptoren

2

1 .3

Hypothalamisch-hypophysärer Regelkreis

2

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1 .9

1.3.1

Störungen des hypotha lamisch-hypophysäre n Regelkre ises

3

1 .3 .2

Hormone des Hypot halam us

4

1 .3.3

Hormone der Adeno hypophyse

5

Hormone der Neurohypophyse

8

1.4.1

Oxytoc in

8

1.4.2

ADH (= ant idiuretisches Hormo n = Vaso pr ess in]

8

Schilddrüsenhormone

8

1.5.1

Synthese der Schilddrüsenhormone

8

1.5.2

W ir kung der Schilddr üsenhor m one

9

Nebennierenrindenhormone

9

1.6.1

Cortisol

10

1.6 .2

Pathop hysiologie: Nebennier enri ndeninsuffizienz

10

Gonadenhormone

11

1.7 .1

Östrogen

11

1.7. 2

Progesteron

11

1.7.3

Testosteron

11

Verlauf und Steuerung des weiblichen Zyklus

11

1.8 .1

12

Hormonkonzentrationen im Zyklusverlau f

Schwangerschaftshormone

13

1.9 .1

13

Hormone der Plazenta

1.10 Hormone des endokrinen Pankreas 1.10 .1 Insulin

14 14

1.10 .2 Glukagon

14

1.1 0.3 Pat hophysiologie: Diabetes mellit us

14

1.11 Hormonale Regulation des Calcium haushalts 1.11 .1 Parathormon

IV

15 15

1.11 .2 Calcito nin

15

1.1 1.3 Calcitrioi

15

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VI

I

Inhaltsverzeichn is

2 Ernährung und Verdauung

18

2 .1

Motorik des Magen-Darm-Trakts

18

2.1.1

Innervation

18

2 .1.2

Ösophagus

18

2.2

2 .1.3

Magen

18

2.1 .4

Darmmuskulatur

20

Sekretion Speichelsekret ion

20 21

2.2.2

M agen

22

2 .2.3

Exokr ines Pankreas

25

2.2.4

Gallesekret ion

27

2.2.5

Kolon

28

2 .2.1

2.3

2 .4

2 .5

Peptid hormone des Magen-Darm-Trakts

28

2 .3.1

28

Gastr in

2.3 .2

Sekret in

28

2 .3.3

CCK

28

2 .3.4

Motilin

28

2 .3.5

GIP

28

Verdauung und Resorption

28

2 .4.1

Kohlenhydr atverdauung und -res or pt ion

28

2 .4 .2

Eiweißver dauung und -r eso rpt ion

28

2 .4 .3

Fettverd auung und -r esor pt ion

28

2 .4.4

Vit amin B' 2/ lnt r insic factor

30

2 .4 .5

Eisensto ffw echsel

30

2 .4 .6

Wasser- und Elekt r olytr esor pt ion

30

2 .4.7

Parentera le Ernährung

33

Regulatio n des Essverha ltens

33

3 Energie- und Wärmehaushalt

35

3.1

Energiehausha lt

35

3.1.1

35

Brenn werte

3 .1.2

Gr undums atz und Ruheum satz

35

3 .1.3

Ener giespeicher ung

35

3 .1.4 3 .1.5

Respir atorisc her Quoti ent Kalorisches Äquivalent

35 36

3 .1.6

Kalorimetrie

36

Inhaltsverzeichnis

3.2

Wärmehaushalt 3 .2 .1 Körpertemperatu r im Tagesverlauf

37 37

3 .2 .2

Regelung der Körpertemperatur

37

3.2.3

Hitzeakklimatisation

38

Index

I VII

40

Ler mit

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Chemische Einteilung der Hormone I 1

1.1

1

Hormonale Regulation

Hormon e sind Botenstoffe. die meis t auf dem Blu tweg zu ihren Zielze llen transp ortiert werde n und dort den Zellstoffwech sel bee influssen. Die Hormon ausschüttung unterliegt versch iede nen Regelungsm echani sm en . Das Bestr eben des Körpers, bestim m te Körp er funktion en möglichst konstant zu halten (wie z.B. Blutzuckerkon zentrati on, Flüssigkeitsge halt) und gleichzeitig an d en augenblickliche n Bed arf anz u pa ssen, kann man in etw a mit de r Aufgabe verg leichen, zw ei Waagschalen ins Gleich gewicht zu bringen , wobei man als Gewi cht nur einen Hau fen Sand (d ie Horm on e) zur Verfüg ung hat. Bedenkt man da bei, dass sich d ie äußeren Rahmenbedingungen ständig ände rn, muss man sich zus ätzlich noch ziemlich starken Wind vo rstellen. Die Anf orde rungen an die hormonalen Regelungsmechanisme n laut en also: Sie sollen schnell, flexibel und empfind lich reagieren - sch ließlich liege n Hormone nur in sehr geringen Kon zentrationen von 10-12 bis 10-6 mmol/l Blut vor. Hormone we rden typ ischerweise durch Hormondrüsen in den Körper d irekt ins Blut abgegeben. Daher wird diese Wirkung als endokrin bezeichnet - ein auf Erkrankungen des Hormonsystems spezialisierter Arzt ist also ein Endokrinologe . Exokrine Drüsen hingegen sezernieren über einen Ausführungsgang auf die Körperoberfläche (z.B. Talgdrüsen) oder in Körperhöhlen (z.B. Speicheldrüsen).

Anhand ihrer chemischen Eigenschaften kann man Horm on e ein teilen in lipop hile (= hyd rophobe) und h ydro p h il e (= lip ophobe) Hormone. Dies e Eint eilung ist deshalb sinnvoll, weil lipo phile und h yd rophile Hormon e sich in vielen Din gen ganz grun dsätzlich unterscheiden: • im Wirkmechanismus. • durch d en Transpor t im Blut und • in den Synthesemechan ism en . So können die lipophilen Hormone im Blut nur effektiv tra nspo rtier t we rden, wenn sie an spezielle Transportproteine gebunden sind - sie sind eben aufgrund ihr er hydrophoben Struktur im Blut nicht ohne wei teres löslich . Die hyd rophilen Hormone da gegen ben ötigen kein e Transportproteine und schwim men einfach so mit dem Blut zu ihren Bestimmungsorten. Ü br i g e n s ... • Lipophile Hormone sind St eroidhor m one und Schilddr üsenhor mone. • Hydrophile Hormone können Pept id- oder Prote ohor mone und Am inosäurederivate sein.

MER KE:

• Lipophile Hormone sind NUR Ste roidhormone und Schilddr üsenhor mone. • Die Hormone von Hypothalamus und Hypophyse sind Pept id- oder Pr oteo hormone.

- •• • • --

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Chemische Einteilung der Hormone

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• aus Choleste rin. • keine Speicher ung, sondern dir ekte Sekreti on

• aus Am inosäuren. • können prob lemlos in ihren Urspr ungszeJlen gespei chert wer den, • meist Synthese von Vorläufermo lekülen, aus denen vers chiedene Mo leküle abgespalten werd en

wirk en über int r azellulär e Rezepto r en auf die Trans kr iption und Translat ion der ZielzeJlen

wirken über membranständige Rezept ore n und Second Messenger

Biot r ansf or m at ion in der Leber

Pr oteo lyse in Plasm a und Nier en

Tabelle 1: chem isc he Einte ilung der Horm one

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2

I Hormonale Regulation 1 .2 Second M essenger und intrazelluläre Rezeptoren Beginnen wir mit der Wirkungsweise der hydrophilen Hormone. Haben die hyd rophilen Hormone sich an die zell membranständigen Rezeptoren geb unden, setze n sie intrazell u läre Sign alketten üb er Secon d Messenge r in Ga ng. Dab ei sin d v.a. zwei wic htige Signa lwege zu unt ersch eid en: 1 Stim u lation oder Hemmung der Adenylatcyclase über G-Proteine verändert den cAMPSpiegel der Zelle (s. auch Skript Biochemie 5). cAMP aktiviert die Proteinkinase A, ein Enzy m, das andere Pro teine phosphoryliert und darüber deren Aktivität beeinflusst (s. Abb. 1). 2 Ak tivierung der Phosp holipase C über G-Proteine. Diese Lip ase spa lte t eine n Bestandteil der Zellmembran, da s Lip id PIP 2 (= Ph osphatid ylinositolbi sphosphat), zu IP3 (= Inosit ol- L 4, 5-Trisphosph at) un d DAG (= Diacylglycerin). IP 3 w iederum setzt aus den intrazellulären Calciumspeichern Ca 2+ frei (s. Abb. 1). Der Einsatz von Second Messengern zur Signalvermittlung ist für den Organismus besonders gut geeignet, weil jedes G-Protein mehrere Second-Messenger-Moleküle freisetzen kann und so eine Sign alverstärkung möglich ist.

Übrigens ... G-Pro t eine heißen so, weil sie GTP binden.

Zellmembran

Im Gegen sat z zu d en hyd ro philen H ormon en benutzen d ie lipophilen Hormone KEI E Second Messenger. Sie binden an intrazelluläre Rezep toren im Zellkern oder im Zyt osol. Diese Reze ptoren wiederum können gleichzeitig an die DNA im Zellkern binden und so z.B. die Transkription bestimmter Enz yme hemmen.

1 .3 Hypoth alamisch-hypophysärer Regelkreis Der Hypothalamus ist sowo hl Teil d es en do krinen Sys tems als auch des zen trale n ervensystems und bildet somit die Schnittstelle zwische n der nervalen u nd hormonalen Regulation der Körperfunktionen. Mit seinen Hormonen bildet der Hypothalamus die oberste Hierarchieebene im hypothalamischhypophysären Regelkreis. Seine Hormone - die Liberine (= RH, Releasing Hormone) und Statine (= IH, Inhibiting Hormone) gibt der Hypothalamus in sei ne Blutkapillaren ab. Diese vereinigen sich zur Vena portae hypop hysis, d ie en tla ng d es H ypophysenstiels zur Adenohy pophyse (= Hypophysenvorderlappen) zieh t u nd sich dort erneut in ein KapiIlarnetz aufspaltet. Dieses wird das Pfortadersystem der Hypophyse genannt.

Zellmembran

-=-'--='-+ 1Adenylatcyc lase

cAMP

Abb . 1: 2nd messenger

ME RKE:

Zu den Second M essengern gehör en: • cAMP (= zyklisches Adeno sin-M onophosp hat) , • IP3 (= Inosit ol-Tr isphosphat ), • Calcium ionen und • DAG (= Diacylglycer in).

1 Proteinkinase A I

@

Phospholipase C

Hypothalamisch-hypophysärer Regelkreis I 3

Übrigens .. . Unter einem Pfortad ersystem versteht man zwei hint ereinander geschalt ete Kapillarnetze. Das zweite Pfortade rs yste m des Körpers ist das Kapillarnetz der Leber.

Die Liberine und Stat ine aus dem H ypothalamus binden an ihre Rezeptoren auf d en Zellen d er Adenohypo phy se. Diese Zellen produzier en ebenfalls Hormone. Ihre Akti vität wird von den Liberinen und Statinen beeinflusst. Dabei stimulieren di e Liberine ihre Zielzellen . die Statine hemmen sie. Die Hormone, d ie von der Ad en oh yp ophyse hergestellt we rd en, heißen Tropine. Die Tropine gelangen üb er den Blutwe g zu ihren Zielzellen - d en peripheren Horm ondrüs en - deren Hormon aus schüttung sie stimulieren. H y p ot h a l a m u s~_ _b..

Bis jetzt haben wir gesehen, wie die Hormone der oberen Hierarchieebenen di e Ausschü ttu ng der Hormone der unteren Hierarchieebenen verände rn. Das alleine macht aber noch keinen funktionsfähig en Regelkreis. Deshalb gibt es physiologische Feedbacks - di e negati ve Rückkopplung. Die Hormone der unteren Hierarchieebenen hemmen d abei d ie Horm on ausschüttung der obe ren Hierarchieebenen. ME RKE:

Die oberen Hierarchieebenen (= Hypotha lamus und Hypophyse) st imulieren die Aussc hüttung der per iphere n Hor mone. Bei ausreichenden oder zu hohen Hor monspiegeln wer den Hypotha lamus und Hypophyse durc h negat ive Rückkopplung gehemmt. Auf diese Weise werden starke und unerwü nschte Schwankungen der Horm onspiegel vermieden.

zufüh rende Arterie

8

Abb. 2 : Pfortadersystem der Hypophyse periphere Hormondrüse Hypothalamus

L -'=== ===

Effektorhormone

Abb. 4 : hypothalamisch-hypophysäre r Regelkre is

1.3.1 Störungen des hypothalamischhypophysären Regelkreises Die Störungen des Regelkreises kann man nach zwei verschiedenen Gesichtspunkten einteilen: • in Unter- und Überfunktionen sowie • in primäre und sekundäre Störungen.

periphere Hormondrüse

wirken auf Effektorhormone - - - . den Stoffwechsel Abb. 3 : hypoth alamisch-hypophysär e Hierarchie

Das Begriffspaar Un ter- und Überfunktionen be zieht sich dabei auf die Konzentration des Hormons der peripheren Hormondr üse. also der u ntersten Hierarchieebene. im Blut: ist d iese zu niedrig, liegt ein e Unterfunktion vor; ist sie zu hoch, eine Überfun kti on .

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4

I Hormonale Regulation Das Begriffsp aar primär und seku ndär bezieht sich auf den Ort der Störungsursach e: eine prim är e Funktionsstörung hat ih re Ursa che in der per ipheren Drüse, eine sekundär e auf der Ebe ne der Ade no hy po physe (Au ch ter tiär e Störungen - als o solche au f der Ebene de s Hypot halamus sind m öglich, allerdings sind sie sehr selten und wurden im Ph ysikum bisher nicht gefrag t).

Beispiel: Ist nun die Schilddrüse z.B. bei Iodmangel nicht mehr zur ausreichenden Hormonsynthese in der Lage, liegt eine primäre Unterfunktion vor. Hypophyse und Hypothalamus versuchen dabei, d en Ma ngel an Schilddrüsenhormon auszugleiche n = sie produzieren me hr Hormone, d ie di e Schilddrüse sti m ulieren, da ja d ie negative Rü ckkopplung durch die Schilddrüsenhormone wegfällt.

periphere Hormon d rü s e

'--- - - - Effektorhormone + Abb. 5 : Ausfa ll der negativen Rückkopp lung

Fehlt dagegen aufgrund einer Schädigung der H ypophyse das schilddrüsenstimulierende Hormon, so liegt auch eine Unterfunktion vor, dieses Mal allerdings eine sekundäre. Bei einer p rim ären Überfu nkt ion supprimiert (= unterd rü ckt) d as H orm on der Schilddrüse das schil ddrüsenstimulierende Hormon der Hypophyse über den Weg der negativen Rückkopplung. Bei einer sekundären Überfunktion schließlich ist aufgrund einer erhöhten Aktivität der Hypophyse auch die Aktivität der Schilddrüse gesteigert.

...

. .... .

.....

r Tabelle 2 : Unter- und Überfunktionen

Übrigens ... Diese M echanism en der Hor monregulation sind wirklich wichti ges Grund lagenwissen. das man unbedingt verstan den haben sollte , da es einem nicht nur im Physikum , sond ern auch in den klinischen Fächern noch sehr viel weiter hilft .

1 .3 .2 Hor m one des Hypothalamus Die einzelne n H ormon e des Hypothalamus sind: • TRH =Thyreotropin-Releasing-Hormo n =Th yreolib er in zur Stimulat ion der Schilddrüsen achse, • CRH = Corticot ro p in-Releasing-H ormon = Corticolib erin zur Stimulati on der Iebe nnierenrinden ach se, • GnRH = Gon ad ot ropin-Releasing-H ormon = Gon ad olib erin zur Simulation der Gon ad enachse, • GHRH = Growth-H ormon -Releasing-Horm on = Somat olib er in, • GHIH = Gr owth-Hormon-Inhibiting-Hormon = Somatostatin und • PIH =Prolaktin-Inhibiting-Hormon. Übr igens. ..

'

,

Das Pr olakt in-Inhibit ing-Hor mon ist ~. '1 . ident isch mit dem Neur otra nsmitter " . ; ""' ~~ ~ ~ .

.

Hypothalamisch-hypophysärer Regelkreis

In den schriftlichen Prüfungen tauchen häufig Fragen zu zwei hypothalamisehen Hormonen auf: • zu m Gonadotropin-Releasing-Hormon (= GnRH) und • zu m Somatostatin (= GHIH). Daher solltet ih r euch gerade die Eigenschaften dieser Hormone ganz besonders einprägen:

GnRH GnRH ist vor der Pubertät nur in geringen Men gen vorhanden. In der Pubertät steigt seine Sekretion stark an und die pulsatile Freisetzung beginnt. Dabe i wird das Hormon ca. alle 60-90 Minuten stoßweise ausgeschüttet, was eine notwendige Grundlage für die Wirkung von GnRH ist. Somatostatin Das Hormon Somatostatin kommt nicht nur im Hypothalamus, sondern auch in anderen sezernierendenZellen vor -u.a. im Magen-Darm-Trakt. In der Hypophyse hemmt es die Ausschüttung von Wachstumshormon, im Magen-Darm-Trakt über vers chiedene Wege die Verdauung. Außerdem hemmt es auch die Sekretion von Insulin und Glukagon durch das endokrine Pankreas. Übr igens ... Es ist KEINE stimu lierende Wirkung von Somatostatin bekannt . Bei Fragen in der Art von "We lches Hor mon st imuliert...?" ist Somatostatin daher imm er die FaJschantwo rt.

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.

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1.3.3 Hormone der Adenohypophyse Die Hormone der Adenohypophyse (= Hypophysenvorderlappen) kann man in glandotrope Hormone und Effektorhormone unterteilen. Die glandotropen Hormone stimulieren pe riphere endokrine Organe, die Effektorhormone wirken dagegen direkt auf den Stoffwechsel der Zielzellen. Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden betrifft die Sekretion: Die Sekretion der glandotropen Hormone wird nur über hypothalamische Releasing-Horrnone gesteuert (= es gibt KEINE Inhi bit ing -Hormone), für die Effektorhormone dagegen ist je ein Releasing- und ein Inhibiting-Hormon bekannt.

I5

Glandotrope Hormone Glandotrope Hormone sind Hormone aus der Adenohypophyse, die auf periphere Drüsen wirken. In diesem Kapitel solltet ihr eu ch vor allem einen Überblick über die verschiedenen Regel kreise verschaffen. Schriftliche Fragen direkt zu den glandotropen Hormonen sind eher selten. Es gehört aber zum Grundlagenwissen - vor allem auch fürs Mündliche - die amen zu kennen und die Hormone ihrer Wirkung auf die pe rip heren Hormondrüsen zuordnen zu können. • TSH = Thyroidea-stimulierendes-Hormon = Thyreotropin stimuliert die Schilddrüse zur Produktion von Schilddrüsenhormonen. • ACTH = Adrenocorticotropes Hormon = Corticotropin stimuliert die Nebennierenrinde zur Produktion von Glucocorticoiden und Androgenen, • LH = luteinisierendes Hormon = Luteotropin stimuliert beim Mann die Testosteronproduk tion des Hodens; bei der Frau sorgt es für den Erhalt des Corpus luteum nach dem Eisprung und erhält so die Progesteronproduktion auf recht, • FSH = follikelstimulierendes Hormon = Follitropin stimuliert bei Männern und Frauen die Keimzellreifung.

PO MC : Eine wichtige Besonderheit gibt es bei der Synthese des ACTH: Hierbei syn thetisiert d ie Hypophyse ein Vorläufermolekül des ACTH, das POMC (= Pro-Opio -Melano-Cortin), Sein ame leitet sich von den einzelnen Bestandteilen des PO MC ab, die daraus abg espalten werden: • ß-En d orph in (= ein endogenes O pioid ), • Melanozyten -stimulierendes-Hormon (= MSH), • ACTH (= Adrenocorticotropes Hormon) und • ß-Lipotropin (leider nicht im Iamen zu finden...). Üb rigens .. . • Das "Pro" steht für Vorläu fermolekül. • Die Synt hese des POMC wird durc h CRH stimuliert.

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I Hormonale Regulation Bei eine r pr imären Insuffizien z der ebe nnierenrinde (= Morbus Addison ) ko mmt es zu einer starken Stimulation der POMC-Synthese durch den Wegfall der ne gati ven Rückk opplung. Damit en tstehen aber auch vermehrt di e Nebe nprodukte de s ACTH . Aufgrund des erhöhten Spiegels an Melanozyten-stimulierendem-Hormon kommt es daher bei Morbus Addison zu einer verstärkten Bräunung der Haut. Effektorhormone Als Effektorhormone werden Hor- ~ mone bez eichnet, die direkt a('u . ~ periphere Gewebe oder den Stoffwechsel wirken (im Gegensa tz zu den glandotropen Hor. monen der Hypophyse) . Nach den Effektorhormonen Pro laktin u nd Somatotropin wurde im Ph ysikum häufig gefragt; es lohnt sich also , dass ihr euch deren Wirkungen und Regulationsmechanismen genau einprägt.

Pro laktin = PRL. Der wich tigs te Regul ation smechanismus der Prola ktinfreisetzung ist die Hem mung durch das zugehörige Inh ibiting-Hormon des Hyp othalamus. Dieses en tspr ich t dem Ne urotrans mi tte r Dop am in . Es ist aber auch ein Releasing-H orm on für d as Prolaktin bekannt, nämlich d as TRH (= Th yreotrop in-ReleasingHormon ), d as auch die Schild d rüsenhorm on achse steuert. Übrig en s .. . Die Funktion von TRH als Pr olaktin-ReleasingHor m on wurde erst vor kurzer Zeit entdec kt und spiegelt sich deshalb in der Benennung nicht wieder .

Zum Prol aktin sollt e man sich zwei wichtige Wirkungen merken: 1. Während der Schwangerschaft steu ert Prola ktin d en Umbau d er Brustdrüse, um die Milchbildung zu ermöglichen. 2. Während d er Stillzeit regt Prolaktin d ie Milchbildung an. In die ser Zeit ist der Sau greiz an d er Mam ille der wich tigste Stim ul us für die Prolaktinau ssch üttung. Gena uer gesagt, bewirkt der Sau greiz eine ver min derte Sekretion de s Prolaktin-Inhibiting-H ormons Do pa min .

Hy pot halam us

. - - --

+ Dopamin

TRH

8

50 " ,..

C

Milchbildunq

Abb. 6: Regulation und W ir kung en des Prolaktins

Somatotropin = 5TH = somatotropes Hormon

= Wachs tu ms h ormon = GH = Gro wth-Hormon. Die Sekretion des Somatotropins wird von Somatoliberin (= GHRH) stimuliert und von Somatostatin (= GHIH) gehemm t. Das Somatotropin steuert das Längenwachstum und wi rd d ah er auch als Wachstumshormon bezeichnet. Außerde m bewirkt es Veränderungen im Energiestoffwechsel: Der Blut zucker wird erhöht u nd die Lipolyse stimulie rt. Als Merkhilfe kann man sich vorstellen, dass dem Körper Energie zu m Wachsen zur Verfügu ng ges tellt we rden soll. Gleichzeitig wi rd die Proteinsynthese stimuliert, d a d er Körper Proteine für das Gew ebewachstum ben ötigt. Die Wirkungen auf d en Ene rgiestoffwe chse l sind di rekt e Wirk u nge n des Wachstu msho rmons; di e Stimulation des Län genwachstums geschieht indirekt üb er die Bildung von Wachstumsfaktoren in der Leber. Ohne die Wachstumsfaktoren IGF1 und IGF-2 (= Insulin like Growth Factor) kann STH daher kein Längenwachstum bewirken.

Hypothalamisch-hypophysärer Regelkreis

Hypothalamus GHIH

Lipolyset

GHRH

IGF1 IGF2

t

~

Längen-

wachstum

Abb . 7 : direkte und indir ekt e W irkung en des 6TH

Pathophysiologisch sind sowohl eine Überproduktion als auch ein Mangel an Wachstumshormon relevant. Bei Kindern und Jugendlichen mit Wachstumshormonmangel kommt es zum proportionierten Minderwuchs. eine Überproduktion äußert sich als proportionierter Riesenwuchs. Für Erwachsene hat ein Wachstumshormonmangel dagegen nur geringe pathologische Konse quenzen. Die Überproduktion führt zum Krankheitsbild der Akromegalie mit Wachstum von Zehen und Fingern (= Schuhe und Ringe werden zu klein) , Vergröberung der Gesichtszüge und Vergrößerung der Zunge. Au ch die Pathophysiologie des Wachstumshormons ist für das Physikum relevant. Hier solltet ihr euch beson ders das Krankheitsbild der Akromegalie gut einprägen!

I7

Die Tumore werden einerseits durch die entspreche nde Horm onwirku ng. andererseits durch die Verdrängung nahegelegener Strukturen klinisch auffällig. Eine Wucherung der Hypophyse kann durch Dru ck auf die Sehbahn zu Gesichtsfeldausfällen führen; typische Folge ist die bitemporale Hemianopsie. Selten sind Unterfunktionen der Hypophyse durch Zerstörung eines Großteils des Gewebes . Die hormonabhängigen Symptome bei Überfunktionen der Adenohypophyse sind: • TSH-Überproduktion: Gewichtsverlust, Wärmeintoleranz, Tachykardie (= schneller Puls) • ACTH -Überproduktion: Cushing-Syndrom (s. 1.6.1, S. 10) • LH-Überproduktion: Zu frühe Pubertätsentwicklung (= Pubertas praecox) • FSH-Überproduktion: Zu frühe Pubertätsentwicklung (= Pubertas praecox) • Prolaktin-Überproduktion: Bei Männern Wachstum der Brustdrüsen (= Gynäkomastie ), bei Frauen Ausbleiben der Menstruation (= Amenorrhoe) • Somatotropin-Überproduktion: Bei Erwachsenen: Akromegalie, bei Jug endlichen: proportionierter Riesenwuchs Nach einigen dieser Krankheitsbilder wird auch im Physikum gefragt. Deshalb solltet ihr die Symptome der TSH-Überproduktion und damit der Schilddrüsen überfunktion. der ACTH-Überproduktion (= Morbus Cushing) und der Somatotropin-Überproduktion kennen. Auch nach der bi temporalen Hemianopsie als Symptom eines Hypophysentumors wurde schon gefragt. Allerdings geht die Bedeutung dieser Krankheitsbilder noch weit über das Physikum hinaus; es sind wichtige Erkrankungen, die euch auch später in der Klinik immer wie der begegnen werden.

Pathophysiologie der Adenohypophyse Recht häufig ist die Bildung von Tumoren in der Adenohypophyse. Die meisten dieser Tumoren sind gutartig und produzieren nur ein Hormon; mit Abstand am häufigsten sind hiervon die prolaktinbildenden Tumore (= Prolaktinome).

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8 I Hormonale Regulation 1.4 Hormone der Neurohypophyse Oxytocin und ADH (= antidiuretisches Hormon) sind die zwei Hormone der eurohypophyse (= Hypophysenhinterlappen). Sie werden im Hypothalamus synthetisiert und gelangen über axonalen Transport zur eurohypophyse, wo sie ins Blut abgegeben werden.

1.4.1 Oxytocin Oxytocin stimuliert bei der Geburt die Kontraktionen des Uterus und steuert die Kon traktion der myoepithelialen Zellen in den Azini der Brustd rüse, wodurch die Milcha ustreibung ermöglicht wird. Ebenso wie beim Pro lak tin ist der Saugreiz an der Mamille Auss chü ttu ngsreiz für Oxy tocin. 1.4.2 ADH (= antidiuretisches Hormon =Vasopressin) Das an tid iuretische Hormon wird nic ht di rekt syn thetisiert. Vielmehr p roduziert der Hypotha lamus eine Vorstufe - das Pro -Vasopressin - aus dem da nn das eigentliche Vasopressin abgespalten wird. ADH hat zwei wichtige und daher wissenswerte Wirkungen: 1 In der Tiere wirkt ADH über den V2-Rezeptor auf das Sammelrohr und d en distalen Tubu lus . Im Sammelrohr bewirkt es - über eine Stimulation der Adenylatcyclase und den Second Messenger cAMP - den Einbau von Aquaporinen (= auf Wassertransport spezialisierte Kanäle) in die luminale Membran d er Tubuluszellen. Aquaporine dienen der Rückresorption von Wasser aus d em Urin und damit der Urinkonzentration . 2 Über VI -Rezeptoren wirkt ADH auf die glatte Gefäßmuskulatur. Dort erhö ht es über den Second Messenger IP3 den in trazellulären Calciumspi egel u nd füh rt so zur Kontraktion der Gefäßmusku latu r. ADH erhöht also auf zwei verschiedenen Wegen den Blutd ruck: über eine Erhöhung des Plasmavolumens (= Wirkung 1) und über eine Erhöhung des Gefäßwiderstandes (= Wirkung 2). Da ADH nur reines Wasser resorbiert, lassen sich die Freisetzungsreize aus den ADH-Wirkungen ableiten: erhöhte Plasmaosmolalität und Volumenmangel führen zur ADH-Ausschüttung.

Zum Schluss noch eine gern gefragte Besonderhei t des antidiuretischen Hormons: ADH stimuliert die Sekretion d es Adrenocorticotropen Hormons (= ACTH) aus der Adenohypophyse . Übr igens ... Als Horm on der Neur ohypophyse wird die Aussc hüttung nicht durc h Releasing- und Inhibiting-Horm one r eguliert. Grund: Die Hormone der Neurohypophyse sta mmen selbst aus dem Hypotha lamus ...

1. 5 Schilddrüsenhormone Die Schil ddrüsenhormo ne sind Th yroxin (= T) und Trijod thyronin (= TJ Ihre Syn these und Sekretion wird über den hy pot halarnisch-hypophysären Regelkreis gesteuert. Sowoh l T. als auch T3 sind lipophile Hormone (s. S. 1), die da her über intranukleäre Rezeptoren die Proteinsyn these der Zielzellen stimulieren. 1.5.1 Synthese der Schilddrüsenhormone Die funktionellen Einheiten der Schilddrüse sind die Schilddrüsenfollikel.

Im Verlauf der Synthese durchlaufen die Vorstufen der Schilddrüsenhormone die verschiedenen Kompartimente der Follikel:

Schilddrüsenfo llikel

I

-'i'r--

C-Zelle

- - - ------J=='I I - - - Kolloid

-7"-'---

Abb. 8: Schilddr üsenfollikel Schema

-

Follikelepithel

Schilddrüsenhormone

I9

Kolloid Thyreoglobulin (T/T4)

r

Follikelepithel

Iod

Thyr eoglobulin

(Tlf4 )

t Oxidation

1-

Abb. 9: Synt hese Schilddr üsenhorm one

•

In den Follikelepithelzellen wird das Clykoprotein Thyr eoglobulin syn thetisiert, das viele Tyrosinreste enthält. Aus dem Blut nehmen die Follikelepithelzellen über einen aktiven u nd sp ezifis ch en Transport Jodid (= 1") auf. Dieses Jodid wird zu Jod oxidiert und an die Tyrosinreste des Thyreoglobulins gebunde n. Da je zwei Tyrosinr este spä ter ein Schilddrüsenhormon bild en, werden noch in der Bindung im Thyreoglobulin je zwei Tyrosinreste miteinand er ver knüpft. Das so jodierte Thyreoglobulin wird nun erst einmal im Follikellumen gespeichert (= Kolloid) . Zur Sekretion de r Schildd rü senh ormon e wird das Thyreoglobulin aus dem Kolloid wieder in d ie Epithelzellen au fgen ommen . Die Schilddrü senhormone werden proteolytisch abgespalten und sezerniert. Dab ei entstehe n T~ und T3 im Verhä ltnis 20:1. Die lipophilen Schilddrüsenhormone werden im Blut an ein Trägerprotein, das TBG (= Th yro xin bin d en des Glob ulin ), gebunde n transportiert (and ere Transportproteine: TBPA, Albumin). 1.5.2 Wirkung der Schilddrüsenhormone

In den Zielzellen der Schildd rüsenhormone befindet sich ein Enzym (= Dejodase), das vom aufgenommenen T~ ein ]odatom abspaltet, sodass daraus d as biologisch wesentlich aktivere T3 entsteht. Als Abfallprodukt entsteht dabei noch das biologis ch inaktive rT3 (= reverses TJ

Thyreog lobulin

Proteolyse

T3rr4

In den Körperzellen stimulieren die Schild d rüsenhormone die Syn these der Na -/K--ATPasen und er hö hen darüber den Energieverbrauch und die Wärmebildung des Körpers. Weitere Wirku nge n auf de n Zellstoffwechs el führen zu einer Interferenz der Schildd rüs enhormone mit dem sympathischen Nervensystem. Dies zeig t sich beso nders deutlich am Her zen, d essen Zellen durch die Schild d rü senh ormone für die Wirk ungen der Katecholamine sens ibilisiert werden. Die wichtigsten Symptome einer Hyp erthyreose lasse n sich aus den genannten Wirkunge n able iten : • Gewichtsverlust, • Wär me intolera nz , • Pulsanstieg (evtl. Herzrhy th muss törungen) und • Unruhe.

1.6 Nebennierenrindenhormone Alle Hormone der Nebennierenrinde sind lipo ebennierenrinde phile Steroidhormone. Die besteht aus 3 Zon en, von denen jede jeweils eine Art von Hormonen vorwiegend bildet: • In der äußeren Zona fasciculata we rde n die Glucocorticoide (= Cortisol) gebil de t, • in der Zona glomerulosa die Mineralcorticoide (= Aldosteron), • die innere Zona reticularis schließlich ist fü r die Bildung der Androgene (= Testosteron) verantwortlich.

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10 I Hormonale Regulation

Die Glucocorticoide und Androgene werden ACTH-abhängig synthetisiert, also über den hypothalamisch-hypophysären Regelkreis gesteuert. Im Gegensatz d azu werden die Mineralcorticoide über das Renin-An giotensin-System reguliert (s. Skrip t Physiologie 1). 1.6.1 Cortisol Ü b r ig e n s ... .Dortiscl" und "Corti son" sind. wenn man es ganz genau nimmt. zwei unterschiedliche Mo leküle. die sich aber nur an einer Stelle ihr er St r ukt urf or m el unt ersch eiden. Im alltä glichen Gebra uch sowie in den Pr üfungen wer den die beiden Begr iffe aber synonym verwendet. Also davon bitte nicht verwirren lassen!

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Cortisol ist d er wichtigste Vertre ter der Glucocor ticoide. Es wirkt vor allem auf den Ene rgiestoffwechsel: • Cortisol erhöht de n Blutzuckerspiegel durch Steigerung der Gluconeogenese. Es wirkt also insulinantagonis tischl Bei einer Cortisontherapie kann es deshalb zu m "Steroid diabetes" kommen. • Cortisol wi rkt proteolytisch und lipolytisch, bewirkt also den Abbau von Muskel- und Fettgew ebe. • Über verschiedene Wege wirkt Cortisol immunsu p pressiv. Dies macht seinen therapeutischen Wert aus: Zur Unterd rückung von entzü ndlichen Erkra nk ungen ist das Cortis on in der heutigen Medizin imme r noch un verzichtbar. • Cortisol hat auß erde m eine ka tabole Wirkung auf de n Knoche n und kann so eine Osteop orose he rbeifü hren. • Cortisol kann auch an d ie Aldosteron-Rezeptoren binden und dort syne rgistisch w irken. So kann es zu Bluthochdruck kommen. Aus diesen wich tigsten Wirkung en des Cortisols kann man sich ganz leicht auch d ie Neben wirku ngen be i Cortisontherapie (oder d ie Symptome bei überschießen der endogener Cortisolproduktion) ableiten. Das d azu gehörend e Krankheitsbild wird Cu sh in g-Syn drom genannt und hat folgende Symptome: • Steroiddiabetes (Hyperglykämie), • Hypertonie (Hy pe m atriä mie) aufgru nd der aldosteronartige n Wirkung , • Os teo po rose,

• typische Um ver teil ung des Körperfettes: Stam m fettsucht, Mondgesicht und Büffelnacken tre ten auf, die Extremi täten sind sehr dünn; was aber auch auf die folgenden Symp tome zurückzuführen ist: • Muskelabba u (Proteolyse ), • Atrophie der Haut, • eigu ng zu Thrombose n .

Übrigens ... Von einem Morbus Cushing spricht man nur. wenn dem Hypercorti solismus ein ACTH-praduzierender Tumor der Adenohypophyse zugrunde liegt! W ird aufgrund einer entzündlichen Grunderkr ankung längerf r ist ig mit Cortisol t herapiert. darf die Ther apie auf keinen Fall abrupt beendet werden. Die exogenen Glucocorticoide sorgen nämlich für eine Suppr ession des ACTH aus der Hypophyse. Da Letzte r es jedoch ein wichtig er Wachstumsfaktor für die Nebenni er enrind e ist . kann ein längerfrist iges Fehlen von ACTH zur At rop hie der NNR führ en. Bei plötzlichem Absetzen der Cortison-Med ikation ist die NNR nicht sofort zur Synthese von Glucocorticoiden in der Lage. was lebensgefährlic h sein kann. Als klinische Sympto me des Cortisolmangels stehen Schwäche. Übelkeit . Appetitlosigkeit. Er br echen und Gewichts verlust sowie niedr ige Blutzuckerspiegei im Vor dergrund.

1.6.2 Pathophysiologie: N ebennierenrindeninsuffizienz Im Rahmen von Au toimmu nerk ranku n gen kann es zu einer prim ären 1 ebennierenrindeninsu ffizienz (= Morbus Ad dison) kommen. Das dar aus resultieren d e Fehle n von Glucocorticoiden und Mineralcorticoiden kann - vor allem durch massi ve Störungen im Elektrolythaushalt - schnell lebensgefährlich werden. Das Fehlen der ebennierenrindenhormone führt zu m Verlust von atrium u n d Wasser (= mineralcorticoide Wirkung). Außerdem kommt es dur ch das Au sbleiben der negativen Rückkopplung des Cor tisols zur erhö h ten Produktion von ACTH bzw. POM C. Das bei d er Spaltung von POMC in der Folge vermehrt anfallende a -MSH führt zur Bräunu ng der Hau t.

1 .7 Gonadenhormone Die Gon ad enhorm on e Östrogen , Progeste ron und Testos tero n sin d ebenfalls Steroidhormone .

Gonadenhormone 111

Auch ihre Ausschüttung wird über den hypothalamisch-hypophysären Regelkreis (mit-)gesteuert. Bei den weiblichen Gonadenhormonen ist allerdi ngs d er zyklische Funktionsverlauf des Ovars der w ichtigere Steuermechanismus für d ie Hormonkonzentrationen.

1.7.1 Östrogen Der heranreifen de Follikel im Ovar synt hetisiert un ter de m Einfluss von FSH Öst rogen e. Diese induzieren am Uterus die Proliferation des Endometriums (Prol ifera tionsp hase) als Vorbereitu ng auf die Einnistung der befruchteten Eizelle.

1.7.2 Progesteron Progesteron wird nach dem Eisprung vom Gelbkörper (= Corpus lu teum) im Ovar synthetisiert. Es bew irkt d ie Umwan d lu ng des Endome triu ms in sekretorische Schleimhaut (Sekretionsphase). Außerdem wi rkt Progesteron auf das temperatu rregu latorische Zentru m des Hypotha lamus und bewirkt dort eine Sollwertverstellung. Deshalb steigt während der zweiten Zyklushälfte die Körpertemperatur um ca. 0,5°C an . Anhand dieses Mechanismus ist die (unzuverlässige!) Temperatu rm ethod e zur Verhütung entwickelt worden.

1.7.3 Testosteron Testosteron wird unter Einfluss von LH von d en Leyd ig-Z ellen des Hodens produziert. Es bew irkt die Ausb ild ung de r inneren und äußeren männlichen Geschlechtsorgane sowie das Wachs tum der Achsel - und Schambehaarung in d er Pubertät (auch bei Frauen - hier stammt das Testosteron nur aus der Iebenn ieren rin d e). Als una ngene hmer Ne beneffekt stim u liert Testosteron auch die Talgdrüsen der Haut und kann so Akne auslösen. MERKE:

FSH st imuliert bei beiden Gesc hlechte rn die Keimzellbildung: bei Frauen die Follikelr eifung. bei Männern die Sperm ato genes e.

1 .8 Verlauf und Steuerung des weiblichen Zyklus Der weibliche Zyklus wird im Allgemeinen in 4 Phasen unterteilt. Schafft man es, sich diese Pha sen und das jeweils dominierende Hormon zu merken, hat man eigentlich schon das Schlimmste gesc hafft. 1 Die erste Zyklusphase ist die Men stru ati on sphase - der erste Tag der Menstruation ist als .::~ erster Zyklu stag definiert. Die Mens truati~ on wird ausgelöst durch de n Abfall der we iblichen Gonadenhormone • • • Ös trogen u nd Progesteron. Die Dauer der Menstruation beträgt zwischen 2 u nd 7 Tagen mit großen individuellen Unterschieden. 2 In der zweiten Phase, der Follikelphase, do min iert d as FSH aus der Ade no hypophyse. Es sorgt für die Selektion und Heranreifung eines Follikels im Ovar. Dieser Follikel p rodu ziert nu n krä ftig Östrogene; je größer er w ird, desto mehr. Gegen Ende der Follikelphase erreicht die Östrogenkonzentration ihr Maximum. Die Follikelphase dauert bis zum 13. Tag. 3 Am 14. Zyklustag findet die Ovulation, also der Eisprung sta tt. Sie wird ausgelöst durch ein sehr hohes und nur kurz dauerndes Maximum des hypophysären Hormons LH, also des lu teinisierenden Hormons. Obwohl die Ov ulation genau genommen nur ein Zeitpunkt ist, kann man dies doch als Ovulationsphase des Zyklus bezeichnen. 4 In der Lutealphase werden die Follikelreste in den Gelbkörper (= Corpus luteum) umgewandelt. Zum Erhalt des Gelbkörpers ist LH aus der Hypophyse unbedingt notwendig. Der Gelbkörper prod uzie rt Progesteron, das die Körpertemperatur um ca. 0,5 °C er höht. Um die Schwankungen der Hormonkonzentrationen im Zyklusverlauf zu verstehen, sollte ma n sich vor Augen halten, dass das Ovar der wichtige Taktgeber für den Zyklu s ist. Die Synthesekapazität und -spezifität des Ovars limitiert die Menge der ins Blut abgegebenen Hormone (so kan n der Follikel in der Follikelphase eben nur Östrogen und kein Progesteron synthetisieren). j atürlich unterliegen Östrogen und Progesteron aber auch der Reg ula tio n im hyp othal amisch-hypophysären System, allerdings mit einer Besonderhei t: Östrogen wirkt in hohen

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12

I

Hormonale Regulation

L -_

1...-

_

Progesteron

Östrogen

(niedrige Spiegel) (hohe Spiegel)

Abb. 10: hypoth alami sch-hypophysäre Regulation der weiblichen Gonadenho r mone

Dosen (ab einem bestimmten Sch wellen wert) im Sinne einer positiven Rückkopplung auf H yp othalamus und H yp ophyse, v.a. au f d ie LH-Au sschü ttu n g. In niedrigen Dosen w irk t Ös trogen - ebenso wie Progesteron - ü ber d ie übli che negative Rückkop plu ng auf Gn RH, LH und FSH.

1.8.1 Hormonkonzentrationen im Zyklusverlau f Damit ihr vor lauter Hormonanstiegen und - abfällen , positiven und negativen Rückkopplungen keinen Adrenalinanstieg bekomm t, no ch einma l ganz geordnet: Während der Menstruation sind die Spiegel an Östrogen und Progesteron niedrig. Dadurch ist die negative Rückkopplung auf die Hypophyse gering, u nd d ie Spi egel der hy pophysären Hormone beginnen langsam wie der zu steigen. Der ansteigende FSH-Spiegel zu Beginn der Follikelphase führt zum Wachstum eines Follikels, der nun Östrogen produziert. Deshalb ste ige n die Ös trogens piegel stark an . Gegen Ende der Follikelp hase erre icht de r Östrogenspiegel den Sch wellenwert für die positive Rüc kkopplun g. Es kommt zum schnellen An stieg des LH-Spiegels (u nd in geringerem Maße des FSH-Spiegels) . Dieser LH-Peak löst den Eisprung aus (Der schnelle Abfall des LH-Spiegels kommt dadurch zustande, dass die hyp othalam isehen LH-Speieher erschö pft sind) . Im Ovar bleibt der Gelbkörper zurück, de r mi t der Progesteronsynthese beginnt. Der Gelbkörper produziert auch Östrogene, allerdings wird der Schwellen wert für die positive Rückkopplung nicht noch einmal erreicht. Die steigenden Hormonspiegel sorgen über die negative Rückkopplung für einen Abfall des luteinisierenden Hormons; dadurch geht der Gelbkörper zug ru nde und die Östr ogen- und progesteronSPie_~ 4 -<> gel fallen rasch wieder ab. Dadur ch wird (J • , \. die Menstruation ausgelöst (s. Abb . 11). ,I Alles klar? . )

Sicherlich ist der weibliche Zyklus fü r viele von euch ein sehr abschreckendes Thema. Dennoch ist es lohnend, sich zumindest die Eckpfeiler gut einzu prägen . Was euch beim Lern en helfe n könnte, ist, wenn ihr mal versucht die Hormonkurven selber und aus dem Kopf zu zeichnen.

Schwangerschaftshormone I 13

LH FSH Östrogen Progesteron

1

4

~

14

t

Follikelphase

Menstruation

Sekretionsphase

Ov uala tion Menstruation

Abb. 11: Hor monkonzent rationen im Zyklusver lauf

1.9 Schwa ngerschaftshormone Das zur Aufrechterhaltung der Schwangerschaft wichtigste Hormon ist das Progesteron. Es sorgt für die Umstellung des mütterlichen Stoffwechsels (z.B. Massenzunahme der Ute rusmuskulatur). Der weitaus größte Teil der Schwangerschaftshormone wird von der Pla zenta selbst sy nthetisiert; lediglich im ersten Schwangerschaftsdrittel übernimmt der Gelb körper noch die Produktion von Progesteron und Östrogen.

und Östrogen; der hCG -Spiegel sinkt und in der Folge geht der Gelbkörper zugrunde.

Progesteron Progesteron ist zur Aufrechterhaltung der Schwangerschaft unverzichtbar - bei Abfall des Progesteronspiegels würde es zur Abstoßung des Endornetriu ms, also zu einer Menstruations blutung, kommen Die Progesteronspiegel steigen bis zur Geburt kontinuierlich an .

Östrogen 1.9.1 Hormone der Plazenta Die Plazenta ist aus der Anatomie/Histologie meist nur als Organ, das die Ernährung des Embryos sichert, bekannt. Das ist sicherlich auch ihre wichtigste Funktion. Aber auch als Hormondrüse gewinnt die Plazenta im Laufe der Schwangerschaft stark an Bedeutung: Nach dem ersten Schwangerschaftsdrittel wäre eine Aufrechterhaltung /I der Schwangerschaft ohne die Hormone der Plazenta nicht möglich.

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hCG Schon zu Beginn der Schwangerschaft wird das humane Choriongonadotropin gebildet. Das hCG ist strukturell und funktionell dem LH sehr ähnlich und sorgt für die Aufrechterhaltung des Corpus lu teum im Ovar, das wiederum Progesteron und Östrogen produziert. 1 ach den ersten 3 Monaten der Schwangerschaft übernimmt die Plazenta selbst die Produktion von Progesteron

Auch Östrogen wird in der Schwangerschaft von der Plazenta produziert. Allerdings übern im m t die Plazenta nur den letzten Schritt der Östrogensynthese selbst; sie aromatisiert nämlich An drogene zu Östrogenen. Die An drogene werden in der 1 ebennierenrinde des Fetus synthetisiert un d von der Plazenta aus dem fetalen Blut aufgenommen.

Humanes plazentares Laktogen [= hPL) Das humane plazentare Laktogen fördert zu sammen mit Prolaktin das Wachstum der Brustdrüse.

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14 I Hormonale Regulation

1.10

Hormone des endokrinen Pankreas

Im endokrinen Pankreas werden 3 Peptidhormone produziert, die den (Koh lenhy d rat-)Stoffwechsel regulieren: • Glukagon in den A-Zellen, • Insulin in den B-Zellen und • Somatostatin in den D-Zellen. 1.10.1 Insulin Insulin ist das wichtigste und fast das einzige Hormon, das den Blutglucosespiegel senkt (auch noch blutzuckersenkend: GIp, d as Glucose-dependent Insulin-releasing Peptide). Es ist damit das bedeutendste anabole Hormon des Menschen. Im Einzelnen wirkt Insulin folgen dermaßen: • Es erhöht die Glucoseaufnahme in Geweben, die den GLUT-4-Transporter besitzen - vor allem in Muskel- und Fettgewebe. Hier stimuliert das Insulin die Glyko gensynthese, die Glykolyse, die Fettsäuresynthese und die Pro teinsynthese. • In die Leber wird Glucose insulinunabhängig aufgenommen (= GLUT-2-Transporter), sodass der intrazelluläre Glucosespiegel proportional zum Blutzuckerspiegel ist. Auch in der Leber werd en Glykogensynthese und Glyk olyse durch Insulin ge förd ert sow ie d ie Glucon eogenese gehe mm t. Dies erfolgt üb er eine Absen kung des cAMP-Spiegels. • Eine weitere - physiologisch eh er unwichtige - Wirkung des Insulins macht man sich therapeutisch zunutze: Insulin bewirkt nämlich die Aufnahme von Kalium in seine Zielzellen. sodass Patienten mit erhöhten Kalium-Plasmaspiegeln besonders effektiv mit Insulin- (und Glucose-)Infusionen behandelt werden kön nen. • Außerdem hemmt Insulin auch noch die Glu coseresorption im Darm.

Die Insulinsekretion der B-Zellen des Pankreas wird über den Blutzuckerspiegel selbst regu liert: Auch die B-Zellen nehmen Glucose über den GLUT-2-Transporter und damit abhängig vom Blutzuckerspiegel auf. Durch di e Verstoffwechslung der Glucose steigt der ATP-Spiegel in der B-Zelle. ATP wiederum bindet an spezielle Kaliumkanäle (= KATP ) der Zellmembran und hemmt

sie, sodass der Kaliumausstrom verringert wird. Dadurch erhöht sich da s Membranpotenzial und es kommt zur Depolarisation der Zellen . Die Depolarisation bewirkt wiederum eine Öffnung spannungsabhängiger Calciumkanäle in der Zellmembran; Calcium strömt ein, der intrazelluläre Calciumspiegel steigt an. Die Calciumionen sorgen als intrazelluläre Botenstoffe für die Exozytose von Insulingranula. Glucose

--;::::::==:0-_0 K+

Abb. 1 2: Mechanismus der Insulinsekr eti on

1.10.2 Glukagon Glu kagon ist d er wichtigst e Antagon ist des Insulins . Es erhö h t über verschiedene Wege den Blutzuckerspiegel, vor allem indem es die InsulinWirkungen in der Leber antagonisiert. Glukagon wirkt über eine Stimulation der Adenylatcyclase und damit üb er eine Erhöhung des cAMP-Spiegels (Zur Erinnerung: Insulin senkt den cAMPSpiegel). . 1 .10 .3 Pathophysiologie: Diabetes mellitus Diabetes mellitus ist eine Regulationsstörung des Insulinstoffwechsels. Beim Diabetes Typ 1 (= juveniler Diabetes) werden die B-Zellen des Pankreas durch einen au toimmunen Prozess zerstört, sodass kein Insulin mehr gebildet werden kann. Beim Diabetes Typ 2 (= adulter Diabetes) liegt ein e Wirkungsabschwächung der Insulinrezeptoren vor (= Rezeptorresistenz), sodass das eigentlich in reichlicher Menge vorhandene Insulin nicht mehr ausreichend wirkt.

Hormonale Regulation des Calciumhaushalts 115

Bei beiden Formen kommt es zu erhöhten Glu cosespiegeln, die langfristig vor allem die klei nen Gefäße der Niere und der Retina schädigen. Außerdem geht die Hyperglykämie mit Insulinmangel und mit vermehrter Ketonkörperbildung einher, was eine Azidose mit begleitender Hyperventilation auslösen kann (= Ketoa zidose).

1.11

Ulation="ri

Hormonale Re9 des Calciumhaushalts

Iu r etwa 1% des Calciums im Körper befindet sich im Extrazellulärraum. ca. 99% sind im Knochen gebunden. Im Knochen bildet das Calcium zusamm en mit Phosphat Kristalle, sodass Phosphat und Calcium im mer gemeinsam aus dem Knochen gelöst werden müssen. Auch im Blut gibt es Wechselwirkungen zwischen der Calcium- und der Phosphationenkonzentration: Eine verminderte Phosphatkonzentration führt zu einer erhöhten Calciumkonzentration und umgekehrt. Das liegt daran, dass das Produkt der beiden Konzentrationen, das Löslichkeltsprodukt. weitgehend konstant bleibt. Deshal b regulieren die drei für den Calciumhaushalt wichtigen Hormone - Parathormon. Calcitonin und Calcitriol - auch gleichzeitig den Phosphathaushalt.

1.11 .2

Calcitonin

Calcitonin wird von den C-Zellen der Schil dd rüse gebildet. Seine Ausschü ttung wird vo n erhöhten Calciumspiegeln ausgelöst. Calcitonin sorgt auf zweierlei Weise für ein Absinken des Calciumspiegels: • durch vermehrten Einbau von Calcium (u nd Phosphat) in den Knochen sowie • durch die Erhöhung der renalen Calciu m au sscheidung.

1.11.3

Calc itriol

Calcitriol, auch Vitamin-D-Hormon genannt, wird vom Körper synthetisiert. Zwischenschritte der Synthese finden in der Haut (= UV-lichtabhängig), der Leber und der iere statt. Die Hydroxylierung in der j iere wird durch Parathormon gefördert. Calcitriol erhöht den Calciumbestand des Kör pers über eine Erhöhung der Calciumresorption im Dünndarm und eine Erhöhung der Calciumrückresorption in der Niere. Außerdem stimuliert Calcitriol die Os teoblasten und damit den Einbau von Calcium in die Kno chen. Da hierfür auch Phos phat benötigt wird, stimuliert Calcitriol auch die Phosphatresorption in Darm und Niere.

1 .11 .1 Parathormon Parathormon (= PTH ) wird in den ebenschilddrüsen (= Gland ulae p arathyro ideae) gebildet. Seine Sekretion wird über den Calciumspiegel reguliert: iedrige Calciumspiegel erhöhen die Parathormonsekretion. hoh e erniedrigen sie . Dementsprechend wirkt Parathormon zu niedrigen Calciumspiegeln entgegen: • Parathormon stimuliert die Osteoklasten, um Calcium und Phosphat aus dem Knochen zu mo bi lisieren. • Parathormon erhöht die Calciumresorption in de r Niere und m inimiert so die renalen Calci umverluste. Gleichzeitig erhöht es die Phosphatausscheidung der Niere (damit das Löslichkeitsprodukt nicht überschritten wird). • Parathormon stimmuliert den letzten Synthesesc hritt vo n Calci triol in der Niere, nämlich die Hydroxylierung von 25-0H-Cholecalciferol zu 1,25-Hydroxycholecalciferol (= Calcitrioi). • Zusammen mit Cholecalciferol erhöht Parathormon die Calciumresorption des Da rms.

Calcitriol Parathormon Calcitonin

Knoche n

Niere

Dünndarm

Abb. 1 3 : Regulation des Calciumhaushalts

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16 I Hormonale Regulation

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Vieles aus dem Kapit el Hormone ist grund legendes Verständniswissen . Gera de die Unt er sch eidung zwischen lipophilen und hydrophi len Hormonen ist auc h für die Fragen in der Bioche m ie wicht ig und kann in der sc hri ftl ichen Pr üfung sehr viele Punkt e einbr ingen. Außer dem solltet ihr den hypotha lamisch-hypophysären Regelkre is mit der negat iven Rüc kkopplung gut beherrschen. Diese beiden gru ndlege nden Them en können - einma l gut gelernt - fürs Physikum und auch später in der Klinik den Ler nstoff stark ver einfach en. Zusät zlich solltet ihr euch einige Fakt en zu den Horm onen, die häufig in den sc hr ift liche n Pr üfungen vork ommen, gut einprägen: Das Hormon ADH (= Vasop ressin) ist ein absoluter Physikums -Liebling. Besonder s wic hti g, weil oft gefr agt: • ADH wird im Hypothalamus synthetisiert, aber von der Neurohypophyse sezerniert. Im Schriftlichen findet sich oft die Falschaussage "ADH wir d in der Neurohypophyse synthetisiert". Also davon bitte nicht verw ir r en lassen! • Ebenfalls oft geprüft wird die Wirkung von ADH auf die rena len Sammelrohre. Als Antwort möchte man hören, dass es den Einbau von Aquaporinen (= Wasserkanälen) in die Epithelzellen der Samme lrohre der Niere und so die Wasserrückresorpt ion stimu liert. Ein weit er es, sehr häufig gefragtes Them a sind die Hormone des weiblich en Zyklus. Beso nders gut sollte t ihr euch den Verlau f der Konzent ra t ionen von Östrogen und Pr ogeste r on einpr ägen. Besonders in der let zt en Zeit mu sst e man in den Pr üfunge n zu Konzent ra t ionskurven das richt ige Hormon zuordnen. Auch nach dem Zeitp unkt der m axima len Hor mon konzentration wu r de schon gefragt: • Östrogen erreicht sein Maximum gegen Ende der Follikelphase , kurz vor dem Eisprung, • Progesteron erreicht sein Maximum etwa in der Mitte der Lutea lphase .

Im Bere ich der Schwa ngers chaftshormone kommt das hCG (= hum anes Chor iongonadotropin) besonders häufig in den Fr agen vor : • hCG bewirkt die Aufrechterhaltung des Gelbkörpers im ersten Schwangerschaftsdrittel. Es wirkt damit ähnlich wie LH. Auch nach der Regulat ion des Blutz uckersp iegels wurd e wiederholt in den letzten Exam ina gefra gt: • Insulin senkt den Blutzuckerspiegel, indem es die Glucoseaufnahme in die Leber erhöht, die Gluconeogenese in der Leber und die Glucose-Resorption im Darm hemmt. • Glukagon als Gegenspieler des Insulins erhöht den Blutzuckerspiegel. Zu guter Letzt möchte ich noch eine besonde rs pr üfungs rele vante W ir kung des Parathormons beto nen: • PTH fördert die Bereitstellung von Calcitriol, indem es die Hydroxylierung in der Niere stimu liert.

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Welche int r azellulär en Signalkaskaden kennen sie? 1. Rezeptor ~ G-Protein ~ Adenylatcyclase ~ cAMP ~ Proteinkinase A ~ Phosphorylierung bestimmter Enzyme 2 . Rezeptor ~ G-Protein ~ Phospholipase C ~ IP3 (und DAG) ~ Calcium ionen W ie kommt es zur Entsteh ung einer Stru ma? Am häufigsten Jodmangelstruma ~ Schilddrüse kann nicht genug T) T. synthetisieren ~ Wegfall der negativen Rückkopplung auf die Hypophyse ~ stark erhöhte TSH-Spiegel ~ TSH übt Wachstumsreiz auf die Schilddrüse aus ~ unkontrolliertes Schilddrüsenwachstum ~ Struma Nenne n Sie bitte die W irkungen von Cortison. • Hyperglykämie • Hypokaliämie, Alkalose • Hypertension

BasicsMündliche

117

• Imm unsuppr essionj geste igerte Infektanfällig keit • W undheilungsstörungen ~ Magen- und Darmulzera • Myopathien • Osteoporose • abnorme Fettverteilung (Mond gesicht + Büffelnacken) • Haut-At roph ie • Thromboseneigung • Verhaltenssrorungen [Unruhe, Schlaflosigkeit) • bei Kindern : Wachstumshemmung, Katarakte W elche Organ e werd en beim Diabetes mellitus besonders geschädigt? Die dauerhaft erhöhten Blutzuckerspiegel führen zu einer Glykosylierung von Proteinen der Gefäßwand ~ dadurch wird die Funktion kleiner Gefäße besonders beeinträchtigt. Das betrifft vor allem die Niere und die Retina . Außerdem wird das periphere Nervensystem geschädigt (= diabetische Polyneur opathie).

So, damit wäre der erste große Abschnitt geschafft. Mit diesem Wissen solltet ihr für die Phy sio logie der Hormo ne im Physiku m gu t gerüstet sein . Auch für die Biochemie war hier schon einiges Wichtige dabei. Nach einer kleinen Pause, d ie ihr jetzt siche rlich nötig hab t, wird euch dann die Ph ysiologie der Ernährung und Verdauung serviert.

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18 I Ernährung und Verdauung

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Ernährung und Verdauung

Im Magen -Darm-Trakt wird die Iahru ng mechanisch zerkleinert und chemisch gespalten. Die J ah ru ng sbestandteile werden dann in den Körper aufg eno mme n und ih m zur Verfüg ung gestellt. Um das Ziel einer opti ma len Verda uung zu erreichen, müssen die Funktionen des Verd auu ngstrakts gut au feinander abgestimmt arbeiten. Der M otori k und der Sekretion des Verdauungstrakts kommen dabei bes ondere Bedeutung zu :

2. 1 Mot orik des Magen-DarmTrakt s 2.1.1 Innervation Die Motorik des Magen-Darm-Trakts wird in erster Linie vom enteri schen Nervensy stem

(= ENS) gesteuert. Dieses besteht aus zwei Nervenplexus: • dem äu ßeren Plexus myentericus (= Plexus Auerbach) zwische n d er äu ßeren Längs- und der Ringmuskulatur und • dem inneren Plexus submucosus (= Plexus Meissner) in der Tela submucosa.

Das en terische I ervensy stem benutzt J europeptide (= Pep tidhormon e als Neurotransmitter), z.B. Substanz P od er VIP (= vasoaktives intestinales Peptid). Es innerviert die glatte Muskulatur sowie Blutgefäße und Epithelien des MagenDarm-Trakts . Diese autonome Steuerung des Magen-DarmTrakts w ird zusätzlich von außen, durch das vegetat ive Nervensystem moduliert. Sowohl sy merve n pathisch e als auc h parasympathische ziehen in das Darm nerven system u nd beeinflu ssen dessen Aktivität. Gru ndsä tzlich gilt da bei, d ass der Parasympathikus die Verdauungsaktivität er höht, der Sym pathikus sie hemmt.

Muco sa

Lam ina mu scularis mucosae

Tela - -- submucos a mit Plexus submucosu s

-

-

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Ringm uskelschicht

Plexus myentericus Abb . 1 4 : Schicht en der Darmwa nd

äußere Läng smu skelschicht

Motorik des Magen-Darm-Trakts I 19

2.1.2 Ösophagus ach dem Verschlucken gelangt die ahrung in d en Öso phagus, also in die Speiseröh re . Die Dehnung des oberen Öso phagus durch den j ahrungsbrocken löst mehrere peristaltische Wellen des Öso phagus aus , die die Iah rung in Richtung Magen transportieren. Am distalen End e d es Ösophagu s befind et sich der untere Ösophagussphinkter, der im Rahmen eines vagova galen Reflexes geöffnet wird (beim vagovagalen Reflex laufen sowohl der afferente als auch de r efferente Reflexbogen über den j • vag us) . Dieser Reflex wi rd ebenfalls durch d ie Dehnung der oberen Ösophagusmuskulatur aus gelöst, sodass sich d er untere Sphinkter bereits öffnet, wenn die Nahrung in die Speiseröhre eintritt, und eben nicht erst wenn die Speise vor dem Sphinkter ankomm t. Der untere Ösophagussphinkter hat die wichtige Fu nk tion, die Spe iseröh re gegen den Magen abzuschließen und so den Rückfluss (= Reflux) von Mage nsäure in die Speiseröhre zu verhinde rn . Ist der Sphinkter d azu n icht meh r in der Lage, kann es zu Sodbrennen beziehungsweise bei langjä hrige m Reflux zur En twicklung von Speiseröhrenkrebs kommen.

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2.1.3 Magen Der Magen wird funk tionell in einen proximalen und einen distal en Anteil unterteilt. Der pr oximale Anteil ents p richt den anatomischen An teile n Cardi a u nd Fu ndus, der distale Ante il en tspric ht de m Corp us und Antrum.

Sowohl zu m proxim alen als auch zum distalen Magen sollte man sich je ein wich tige s Bewegungsmuster merken: Akkomodationsreflex Der proximale Magen hat die Aufgabe, größe re Speisemengen zu speichern. Durch loka le Wan ddehnung wir d im proxima len Mage n ein Reflex, der Akkomodationsreflex, ausgelöst, der eine Entspannung der Muskulatur und damit eine Dehnung des proximalen Magens zur Folge hat. Dieser Vorgang wird auch als rezeptive Relaxation bezeichne t u nd tritt do rt im Magen-Dar mTrakt auf, wo Speicherfunktionen erfüll t werden müssen (so z.B. auch in der Rektu mampulle). Der Akkomodationsreflex des p rox ima len Magens ist ebenfalls ein vagovagaler Reflex . Der Transmitter des N. vag us ist in diesem Fall n ich t Acetylcholin, sondern das VIP (= vasoakti ves intestinales Peptid). Magenperistaltik Die Aufgabe des dis talen Magens (= Corpus und Antrum) ist die gründliche Durchmischung des Na hru ngs breis mit dem Magens aft. Dazu schieben rege lmäßige propulsive peristaltische Wellen den j ahrungsbrei gegen de n geschlossenen Pylo rus. Übrigens .. . Unter einer propu lsiven per istaltischen We lle verst eht man ein Bewegungsmust er, bei dem durch Kontra ktion der Längsmuskulat ur und Ers chlaffung der davor gelegenen Ringmus kulatur der Nahrungsbrei gezielt vorw ärts bewegt wir d.

Ösop hagus -

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Fundus

Schrittmacherzone

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Antrum

Abb. 1 5: funktionelle Magenanteile

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20 I Ernährung und Verdauung

Kontraktion

Kontraktion

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musku latur

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Erschlaffung @ der Ringmuskulatur

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Erschlaffung @ der Ringmusku latur ,.....-------.,

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Ab b. 1 7 : Bewe gungsmust er ste hende W ellen

Abb. 1 6 : Beweg ungsm uste r propulsive peri staltische Well e

Die peristaltischen Wellen des distalen Magens gehen von einer Schrittmacherzone im oberen Corpus aus. Die Schrittmacherzellen synchroni sieren die Aktivität der Magenmuskulatur, wodurch die Durchmischung von Speisebrei und Magensaft erreicht wird (s. Abb. 15, S. 19). Zur Entleerung des Magens öffnet sich der Pylo rus , und die peristalti schen Wellen pressen den Speisebrei in den Dü nn d arm .

2 .1.4 Darmmuskulatur Im Darm verweilt die ahrung 2-5 Tage . Wie im Magen kommen im Darm prop ulsive peristaltische Wellen vor. Ein we iteres wi chtiges Bewegu ngsmus ter im Da rm sind die stehenden Wellen (auch ni chtp ropulsive Peristalti k genannt).

Die stehenden Wellen bes tehen aus abwechselnd en Zonen der Kontraktion und Zo nen d er Entspannu ng der Ring muskulatur des Darmroh res und di en en vor allem der Durchm ischung der Nahrung und weniger d eren Transport. Außerdem gibt es im Darm den interdigestiven my oelektrischen M otor k ompl ex (= IMMC), der etwa 4-5 Stunden nach einer Mahlzeit ablä uft . Er umfasst eine fortlaufen de propulsive peristaltische Welle vom Antrum bis zum Ileum und hat vermu tlich die Funktion, das Darmrohr von Resten der Mahl zeit und Fremdkörpern zu reinigen.

2 .1 .5

Defäkationsreflex

Der Defäkationsreflex zur Stuhlentleerung wird durc h Dehnun g des Rektums eingeleitet. Diese Dehn u ng löst eine Erschlaffung des M. sphincter internus sowie peristaltische Wellen der Dickdarmmuskulatur aus. Der Defäkationsreflex wird parasympathisch über das Sakralmark gesteuert.

2.2 Sekretio n Der Bereich der Sekretion nimmt in der Ph ysiologie des MagenDarm-Trakts im schr iftlichen Ph ysikum den größt en Raum ein .

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Insgesamt werden in den Verdauungstrakt täglich 8 Liter Flüssigkeit sezerniert, da von etwa ein Liter Speichel, ein Liter Galle und ein bis zwe i Liter Pan kr eassaft.

Sekretion I 21

2.2.1 Speichelsekretion Der Speichel ist das erste Körpersekret. das mit de r j ahrung in Kont akt ko mmt. Er hält nicht nur d ie Mundhöh le sauber und von Bakterien frei (Speichel enthält antibakterielle Stoffe), sondern vermittelt auch die wichtige Sinnesqualität "Ge sch mack". Die Geschmacksstoffe aus de r ah ru ng lösen sich im Speichel und können dadurch von den Geschmacksrezeptoren erkannt werden. Außerde m m acht er die Bissen gleitfähig und ermöglicht so d as Schluc ken der Na hru ng . Die 3 großen Speicheldrüsen (= Glandula parotis, Gland u la submandibularis und Glandula sublingua lis) bild en täglich ungefähr 1 Liter Spei chel. Die Speichelbild ung finde t in zwei Schri tten statt: • In d ie Azini der Speicheldrüsen wird der Primärspeichel seze rniert. Dieser ist in seiner Zu sammensetzung dem Blut plasma sehr ähnlich, er enthält viel atrium und Chlorid. Da d as Wasser dem Natrium passiv in die Azin i nach folgen kann, ist d er Primärspeic hel plasm aisoton. • Im zweiten Schri tt wi rd d ie Zu sammen setzun g des Speichels in den Aus führu ngsgä ngen d er Drüsen modifiziert: Die Zellen der Ausführu ngsgänge resorbieren 1 atrium und Ch lorid, sind aber für Wasse r nich t perm eabel, sodass die Osmolalität des Speichels in den Au sführungsgän gen absi nkt, der Speichel wird somit plasm ah yp oton. Außerdem sezernieren die Ausführu ng sgä ng e geringe Mengen Kaliu m und Bicarbonat in den Speichel.

Die genaue Zusammensetzung des Speichels variiert in Abhängigkeit von der Flussrate. Um dieses Phänomen verstehen zu können, muss man wissen, dass die Zusammensetzung des Primärspeichels unabhängig von der Flussrate immer gleich bleibt. Erhöht sich di e Flussrate. bleibt den Ausführungsgängen jedoch immer weniger Zeit für die Modifikationen am Speichel - der fließt eben viel schneller durch die Ausführungsgänge hindurch. Beispiel: Das kann man sich etwa folgendermaßen vors tellen: Arbeiter an einem Fließband, die z.B. alle Kekse vom Fließband herunternehmen und stattdessen Schokolade drauflegen sollen, können nur bei langsamen Geschwindigkeiten alle Kekse auf de m Fließband gegen Schokolade austauschen. Ebenso können auch die Ausführungsgänge nur bei niedrigen Flussraten alles Natrium und Chlorid aus dem Prim ärspeichel entfernen und ausreichend Kaliu m und Bicarbonat sezernieren. Bei hö he ren Geschwin d igkeiten des Fließbandes bleiben immer meh r Kek se liegen, d afü r gelangt verhältnismäßig weniger Schokolade aufs Fließband. Für den Speichel bedeutet das, dass er mehr atrium/Chlorid un d we niger Kalium/Bicarbonat enthä lt. Bei höh eren Flussraten ist also der Speichel dem Primärspe ichel viel ähnlicher als bei niedrigeren Flussraten; er ist natriu m- und chloridreicher und hat eine hö he re Osmolalität, enthäl t aber weniger Kalium und Bicarbonat.

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Azinus c:

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basale Sekretion Abb. 1 8: Speiche lsekretion

stimulierte Sekretion (hohere Flussrate)

Flussrate Abb. 19: Speichel-Ionenkonzentrationen in Abhängigkeit von der Flussrate

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22 I Ernährung und Verdauung

Neben Wasser und Ionen enthält d er Speichel Muz ine (= schleimb ildende Glykoproteine), Immunglobuline und d as Verdauungsenzym (XAmylase, d as aber weniger dem Aufschluss d er Na hrung dient (zumal es im Magen wegen d es nied rigen pH-Wert s sofort inaktiviert wird), sonde rn eher dem Abba u von ahrungsresten an den Zähn en. So erhä lt d ie (X-Amylase d ie Mundhygien e aufrech t. Übrigens ... Die Ents t ehung von Kar ies wird durch die a -Amylase begünstigt. da sie langkettige Kohlenhydrate zu Dligosacchariden umw andelt und diese direkt den zahnschädigenden Bakter ien als Nahrung zur Verfügung stehen .

Die Speicheldrüsen sind sowohl sympathisch als auch parasympathi sch inner viert. Der Sym pathikus bewirkt ehe r die Sekretion eines zähe n (= mukösen ) Speich els, der Parasympathiku s d ie d es d ünnfl üssigen (= serösen) Speichels. Der Tran smitter des Sympathiku s ist d abei Noradrenalin, beim Parasympathikus gib t es gleich zwei wic htige Tran smitter: Acety lcholin und VIP (= vas oaktives intestinal es Peptid). 2 .2.2 Magen Im Magen we rden von verschi ed enen Zellen verschiedene Substanzen mit unterschiedlichen Aufgaben sezerniert: Die Belegzellen im Magenfundus- und Magenkorpus produzieren Salzsäure (= HCI) sowie den Intrinsic Factor: • Die Salzsäure sorgt fü r den niedrigen pH-Wer t von 2 bis 4 und bildet so eine an tibakterielle Barri ere. Außerde m füh rt der nied rige MagenpH zur Den aturierung von Protein en (ebenso werden z.B. Eier beim Kochen de naturiert), was eine Vorauss etzung für d as Ang reifen von Verd au ungsenzyme n ist. • Der Intrinsic Factor wird im term inalen Ileum zu r Resorp tion von Vitamin Bl 2 (= Cob alami n ) ben ötigt. Übrigens .. . Vitamin B' 2 wird vom Körper zur Bildung von Eryt hr ozyten benötigt. Bei Operationen zur Entf er nung des Mag ens (= Magenresektion) kommt es zu einem Mangel an Intrinsic Fact or , und da der Körper in der Folge nicht genügend

Vitamin B' 2 resorbieren kann, zu St ör ungen der Blut bildung.

Die Hauptzellen seze rnieren Pep sin ogen, die Vorstufe des Verd au un gsenzyms Pepsin. Die Aktivieru ng des Pepsi ns erfolgt au toka talytisch, das heißt Pepsin sp alt et vom Pep sinogen ein Pep tid ab, so d ass das aktive Enzym Pepsin entsteht. Die au toka taly tische Ak tivieru ng des Pepsins ist nur in der Anwesenhei t von Salzsäure möglich. Das Wirkmax imu m d es Pepsins liegt ebenfalls im sau ren pH-B ereich, soda ss es bereits im Ma gen mit der Spaltung von Eiweißen in Amino sä ur en beginnt. Die d ritt e Zellart im Mage n, di e Nebenzellen. produziere n Schleim und Bicarbonat, die der Magenwa nd eng an liege n und sie vo r d er Salzsä ure schü tze n. • Belegzellen : Salzsäure, Intrinsic Factor • Haup tzellen : Peps inogen • Nebe nze llen: Schleim , Bicarbonat Da vor allem d ie Steu erung und der Mech anismu s der Salzsäuresekretion im Ph ysikum imme r wieder gerne gefrag t we rden, kommt da s jetzt noch mal etw as gena uer: Magensäuresekretion: Steuerung Die Steuerung der Salzsäuresekretion des Ma gen s geschi eht eine rseits parasympathisch (über den Nervus vag us), andererseits über Peptidhormone aus Zellen des Magen-Darm -Tra kts. ach dem Or t, von dem der Reiz auf die Mag en sä uresekre tion au sgeht, kann m an drei Phasen unterscheiden: eine kephale, eine gastrale und eine intestinale Ph ase. • Die kephale (griech isch: Kephalo = Kopf) Ph ase bes chreibt die Stimulation des Nervus vagus durch Geruchs- und Geschmacksreize und eine d arauf folgende Stimulation der Belegzellen durch de n vaga len Transmitter Acetylcholin . • In der gas tralen (gr iechisch : Gaster = Magen) Ph ase ist der au slösen de Reiz für eine Stimulation des ervus vagus die Dehnung des Magens . Außerde m bewirkt d ie Magendehnung die Auss chüttu ng des Peptidhormon s Gastrin aus d en G-Zellen im Mage nan tru m . Das Gas trin, da s au f dem Blutweg zu d en Belegzellen gelangt, stimulie rt ebe nfalls die Belegzellen zu

Sekretion I 23

erhö hter Salzsä ur esekretion . • Die intestinale Ph ase hemmt im Gege nsa tz zu den beid en anderen d ie Salzsäu resekretion der Belegzellen durch verschiedene im Darm synthetisierte Peptidhorm on e wie z.B. Soma tostatin. Diese Peptidhormon e werden dann ver mehrt ausgeschüttet, wenn Speisebrei in d en Dünndarm gela ngt. So w ird eine überschießende Salzsäurep roduktion nach der Magenentleerung verhindert. Geruch und Geschmack

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Magendehnung

Somatostatin

Abb. 20: Phasen der Magensäuresekretion

Neben der intestinalen Phase gibt es noch einen zweiten Bremsmechanismus der Magensäuresekretion: Und zwar wird die Ausschüttung des Gastrins auch durch den pH-Wert im Magen gesteuert. Sinkt der pH-Wert ab, wird die GastrinAusschüttung gehemmt und so die Magensäuresekretion gedrosselt. Umgekehrt erhöht sich bei steigendem pH-Wert die Gastrin-Ausschüttung, sodass wieder mehr Salzsäure gebildet wird und der pH-Wert wieder sinkt. Außer Acet ylcholin und Gastrin gibt es noch einen weiteren wichtigen Stimulus für die Belegzelle : das Histamin. Histamin wird von Zellen in der Magenwand. de n H-Zellen (auch ECL-Ze llen genannt) produziert. Gas trin und Acetylcholin bewirken die Freisetzung von Histamin aus d en H-Zellen . Auf de r Belegzelle befinden sich für jede die ser drei Substanzen spezifische Rezeptoren: die mu skar inergen Ace tylcho lin reze p tore n. die H 2Histaminr ezep toren un d die Gastrinrezeptoren. Ist nun Histamin an den H 2-Rezeptor gebunden, wird die Stimulation der Belegzellen dur ch Gas trin und Acetylcholin wesentlich verstärkt. Die Freisetzung von Histamin in der Magenwand dur ch Gastrin und Acetylcholin d ient also de r Sign alverstärkung auf die Belegzellen. So erkl~r~ sich auch, dass Medikamente,~ die . spezifisch H 2-Reze ptoren blockieren, h effektiv d ie Magensäuresekretion hemmen und so Magengeschwüren en tgegenwirken können. "'...........

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Lumen Belegzelle

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Abb. 21 : Signalver st är kung der He l-Sekretion durc h Hista min

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Acetylch olin

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24 I Ernährung und Verdauung

MER KE:

Gastrin , Histamin und Acetylcho lin stimulieren die Hel-Sekretion der Belegzellen. Histamin wird in der Magenwand von Gastrin und Acetylcholin freigesetzt.

Lumen

Belegzelle

Magensäuresekretion: Mechanismus

Das Kernstück der Salzsäuresekretion in den Belegzellen ist die H-/K--ATPase in der lu mina len Membran der Belegzellen, die durch einen pri mär-aktiven Transport Protonen aus der Zelle ins Magenlumen bringt. Im Gegenzug werden Kaliumionen aus dem Lumen in die Zelle transportiert. Die Kaliumionen diffu ndieren übe r einen Ionenkanal passiv zurück ins Magenlumen. Die Protonen werden in den Belegzellen von dem Enzym Car bo anh ydrase bereitgestellt, das auch in der Niere u nd den Erythrozyten vorko mm t. Es hydratisiert CO z' das aus dem Blut in die ZeIlen diffundiert, zu HZCO y das schnell in ein Pro ton und Bicarbonation zerfällt. Das entstandene Proton wird ü ber die H-/K--ATPase ins Lume n transportiert. u n fehlt dort aber immer noch das Chlorid, damit Salzsäure entstehen kann. Aber auch dafür hat sich die Natur einen Trick einfallen lassen: Das entstandene Bicarbonation gelangt im Austaus ch gegen ein Chloridio n zurück ins Blut. Das Chlorid ion diffundiert durch einen Ionenkanal ins Magenlumen. Jetzt liegen Protonen und Ch lorid ionen im Magenlumen vor, d ie sich zu HCI, de r Salzsäure, vereinige n können. In ihrer wäßrigen Lösung im Magensaft liegt die Salzsäure aber größtenteils dissoziiert vor und sorgt für den niedrigen Magen-pl-I von 1-2.

Abb. 22: M echan ismu s der Hel·Sekr eti on

Übrigens ... Hieraus ergibt sich eine weitere Möglichk eit der Ther apie von Magengeschwüren: auch durch spezifische Blocker der H'jK--ATPase lässt sich die Salzsäureproduktion sehr effektiv hemmen .

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Sekretion I 25

2.2.3 Exokrines Pankreas Wie auch d ie Spe ichelsekretion. lässt sich die Sekretion des Pankreassafts in zwei Schritte unter teilen: der primäre Pankreassaft wird von den Az ini gebil det und in einem zweiten Schritt in den Ausfüh ru ngsgängen modifiziert. Der in den Azini sezernierte primäre Pankreassaft en thält vor allem atri um und Chlorid (und nur geringe Mengen Kalium und Bicarbonat). Auch hier folgt das Wasser dem Natriu m passiv (= durch Osmose) nach, sodass das Sekret plasmai soton ist. Bei basalen Flussraten wird der pr im äre Pankreassaft aus d en Azini in den Ausfüh rungsgängen nicht modifiziert. Die Sekretion des Pan kreasazinus wi rd von Acetylc holi n und Cholezystokinin (= CCK ) stimuliert. Erst wenn die Flussrate des Pankreassafts gesteigert werde n soll, we rde n die Ausfühnmgsgänge zur Sekretion stimuliert (im Gegensatz zu den Speicheldrüsen, bei denen die Sekretion der Azini gesteige rt wird, s. S.21). Auf die Ausführungsgänge wirkt dabei das Peptidhormon Sekretin stimulieren d . Die stimulierten Ausführungsgänge seze rnieren ebenfalls atriu m und Wasser, sodass die Na triumkonzentration unabhängig von der Flussrate gleich bleibt und ebenso der Pankreassaft immer plasmaisoton ist. Was sich aber mit steigender Flussrate än dert, sind die Konzentrationen von Chlorid und Bicarbonat im Pankreassaft: in den Zellen de r Ausfühnmgsgänge befindet sich ein Chlorid/Bicarb onat-An tiporter, der das Chlorid aus dem Ausführungsgang resorbiert und im gleichen Maße Bicarbonat sezerniert. Deshalb steigt die Bicarbonat konzentr ation bei höh eren Flussraten. während die Chloridkonzentration sinkt. Das Bicarb on at sorgt für d en alkalische n pH des Pankreassafts. Im Darmlumen kann der Pankreassaft deshalb die Salzsäure aus dem Magen

neutralisieren .

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Achtung: Hier kann man die Funk \ ,, ' (" tion de r Aus fühn mgsg änge nicht wie bei der Speichelsekretion mit einem Fließband vergleichen, auf dem die einzel nen Ionen ausgetausc ht werden. Die Steigerung der Sekretion des Pankreas kommt erst in den Ausführungsgängen zustande; das vermeh rt gebildete Volumen wird also in den Ausführungsgängen sezerniert, wofür die atrium -Sekretion die treibende Kraft darstellt.

Beispiel: Die Situation im Pankreas könnte man bildlich verdeutlichen, indem man Azinus und Ausführungsgang als zwei unabhängige Quellen betrachtet, die Flüssigkeiten untersch ied licher Zusammensetzung in eine n ge meinsamen Fluss einspeisen. Die eine Quelle (= der Azinus) produziert immer die gleiche Menge Flüssigkeit; die andere Quelle (= der Ausführungsgang) kann zur Produktion größerer Mengen Flüssigkeit stimuliert werden. Die Zu sammensetzu ng des Flusswassers wird der Flüssigkeit aus dem Ausführungsgang immer ähnlicher, je mehr dieser stimuliert wird.

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basa le Sekretion

stimulierte Sekretion (höhere Flussrate ) Abb. 23: Sekretion des Pankreassafts

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Flussrate Abb. 24: Pankreassaft-Ionenkonzentration in Abhängig keit von der Fluss ra te

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26 I Ernährung und Verdauung

Hier noch mal - da mit ihr nicht durcheinander kommt - eine Zusammenfassung der Unterschiede zwischen Speichel- und Pankreassaftsekretion:

..

.

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sowohl Chym otrypsinogen zu Ch ym otrypsin zu aktivieren als auch weiteres Trypsin aus Trypsinogen abzuspalten (= Au toka talyse) . Übrigens ...

..

.

Sekretion in den Azini

Natrium, Chlorid

Natrium . Chlorid

Sekretion in den Ausführungsgängen

Kalium. Bicarbonat

Natrium, Bicarbonat

Rückresorption in den Ausführungsgängen

Natrium . Chlorid

Chlorid

Steigerung der Flussr at e durch

Stimu lation der Azini

Stimulation der Ausführungsgänge

Änderungen m it höherer Flussra te

mehr Natrium und Chlorid. weniger Kalium und Bicarbonat

m ehr Bicarbonat. weniger Chlorid

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hypoton

isoto n

Oie Enzyme des Pankr eas werd en mit dem St uhl ausgeschieden. Um die Funktion des exokrinen Pankr eas zu testen. werden die Enzym m engen im Stuhl bestimmt. Dabei wird meist d"""~ das Enzym Elastase als Indikat or der Pankreasfunktion gemessen.

Path ophysiologie: Mukoviszidose

Die Mukoviszidose (oder zys tische Fibro se) betrifft viele Organe, vor alle m Lunge, Leber, Darm und Pank reas. Dem Krankheitsbild liegt die Mutat ion eines Chl oridkanals zug ru nd e, wes halb man es im Schweißtest durch eine erh öh te Chlori dkonzentration des Schweißes nachweisen kann .

Tabelle 3 : Unterschiede zwischen Speichel - und Pankreassaftsekretion

Pankreasenzyme

Der Pankreassaft ist die wichtigste Quelle von Verdauungsenzymen des Körpers. Die Pankreasenzyme werden unter CCK- (= Cholezystokinin-) Stimulation vom Azinus sezerniert. Ein Teil der Verdauungsenzyme wird in der aktiven Form sezerniert wie die a -Amylase (= Spaltung von Kohlehydraten) und die Lipase (= Spaltung von Fetten) . Andere Verda uungsenzyme werden in Form von inaktiven Vorstufe n sezerniert u nd erst im Darm ak tiviert. Diese Enzyme spa lten Pep tide un d würden andernfalls d as Pankreas selbs t andauen. In der Tat passiert d ies unter pa thologischen Bedingungen bei der Pankreatitis, der Bauchspeicheldrüsenentzündung. Die wich tigsten Proenzyme, die das Pankreas sezerniert, sind Trypsinogen und Chymotrypsinogen. Im Duodenum wird vom Trypsinogen durch die Enteropeptidase (= Enterokinase) - ein Enzym, das sich in den Darmepithelien befindet - ein Pepti d abgespalten. Übrig bleibt d as enzyma tisch aktive Trypsi n. Trypsin ist nun in der Lage,

Abb. 2 5 : Chiarid kanal und Antiporter im Pankreasgang

Aber was genau ist eigentli ch di e Aufgabe dieses Chloridkanals? In den Pankreasgan gzellen befin det sich der Chlorid/Bicarbo n at-An tipo rter, de r Bicarbonat in d en Au sführungsgang sezern iert und im Gegenzug Chlorid rückresorbi ert. Damit ausreich end Bicarbonat sezerniert werde n kann, mu ss d as Chl orid üb er einen 10nenkan al aus der Zelle ins Lumen d iffundieren kön nen. Bei der Mu kovi szido se ist nun d ieser Ch lorid ion enkanal defekt, sod ass sowohl di e Chloridionenk on zen tration als auch di e Bicarbonatkonzentration im Pan kreass aft verring er t ist. Dadurch kann auch weniger Wasser sezern iert werden (die Flussra te wird ja durch die Sekr etion der Pankreasgänge erhö ht, ist di ese gestört, kann die Flussrate nicht mehr en tsp rechen d gesteigert werden), d as Sekr et ist zäh und viskös

Sekretion I 27

und verstopft regelrecht die Ausführungsgänge. Aufgrund d er verringerten Bicarbonatkonzentration kann de r Pankreassaft nicht mehr den sauren Magensaft, der mit dem Speisebrei ins Duo de num gela ngt, ne utralisieren, sodass bei d er Mukoviszidose nach den Mahlzeiten die Pro tonenkonzentration im Duodenum erhöht ist. 2.2.4 Gallesekretion Neben ihren vielen Stoffwechselfunktionen hat die Leber auch noch die Aufgabe der Gallesekretion u nd trägt d ami t zur Verdauu ng bei. Stimuliert wird die Sekretion der Galle durch das Hormon Sekretin. GallenbestandteilejGallensäurenjBilirubin Mit der Galle scheidet der Körper Bilirubin (= Gallenfarb stoff) sow ie Giftstoffe und Medikamente aus . Die wichtigsten Bestandteile der Galle sind: • Gallensäuren (oder auch Gallensalze genannt), • Phospholipide (Lecithin), • Cholesterin. Sie liegen im Verh ält n is 60 : 30 : 10 vor.

Die Gallensäuren (Cholsäure und Chenodesoxycholsäure) machen nicht nur den größten Anteil de r Galle aus, sondern sind auch die funktionell wichtigsten Bestandteile, da sie im Darm die Fette emulgieren und die Bildung von Mizellen ermöglichen. Die Gallensäuren werden fast nicht mit dem Stuhl ausgeschieden, sondern im terminalen Ileum resorbiert. Dies nennt man den enterohepatischen Kreislauf der Gallensäuren.

Vom Gesamtbestand des Körpers an Gallensäuren (2-4 g) werden täglich nur etwa 0,6 g neu synthetisiert (und ebensoviel mit den Fäzes ausgeschieden). Insgesamt durchlaufen die Gallensäuren den enterohepatischen Kreislauf 6-10mal täglich! Im Gegensatz dazu unterliegt Bilirubin, das Abba uprodukt des Hämoglobins, nicht dem ente rohepatischen Kreislauf und wird nur zu einem geringen Anteil aus dem Darm resorbiert; 85% werden mit dem Stuhl ausgeschieden. Zum Teil wird Bilirubin durch Darmbakterien zu Urobilin und Stercobilin umgesetzt, die die braune Farbe des Stuhls hervorrufen. In letzter Zeit tauchen im Physikum immer wie der Fragen auf, bei denen die Gefahr besteht, die Eigenschaften der Gallensäuren mit denen des Bilirubins zu verwechseln. Deshalb hier noch einmal eine Tabelle, die die wichtigsten Unterschiede aufführt: :fUmli1Ti'I

.. .

.

Abbauprodu kt des Hämog lobins

Synthese aus Cholesterin

Konjugation m it Glucuronsäure

Konjugati on mit Taur injGlycin

85% Aussche idung mit den Fäzes

5% Aussche idung mit den Fäzes

1 5% Rückresorption im Dar m

95% Rückresorption im Darm

Tabelle 4 : Eigensc haften von Gallensäuren und Bilirubin Leber

V.portae

~

insgesamt 3 g salze rezirkulieren l?-10 mal pro Tag

_ __ _ _ _+ _"""-_ _

+-_ _ -. Ausscheidung: O,6glTag

Duodenum

Ileum

Abb . 26: enterohepatischer Kreislauf der Gallensäuren

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28

I

Ernährung und Verdauung

Gallenblase Die Galle gelangt von der leber über den Ductus hepaticus in den Ductus choledochus, der an der Papilla duodeni in den Dünndarm mündet. Ist die Papille verschlossen, staut sich die Galle zurück un d gela ng t über den Duc tus cyst icus in die Ga llenb lase . Die Gallenblase fass t ein Volu me n von 60 ml und ha t vo r allem eine Spe icherfunktion für die Galle. Außerdem wird in der Gallenblase die Galle konzentriert; d .h. es wird Wasser resorbiert, sodass d ie Gallenbestandteile in der Blasengalle höher konzentriert sind als in der lebergalle (Ausnahmen bilden hier lediglich einige Elektrolyte ). Gelangen Fette ins Duodenum, kon tra hiert und entleert sich die Gallenblase, angeregt von Ch olezystokinin und Acetylcho lin. Leber

Übrig en s ... Das Stu hlgewicht beträgt normal erw eise 100 - 200g pro Tag. Zu 7 5% besteht St uhl aus Wasser. Von den 25% Tr ockengewicht ma chen die Darm bakter ien ein Drittel aus.

2.3 Peptidhormone des Magen-Darm-Trakts Die Peptidhormon e des Magen-Darm-Trakts werde n von sp ezialisiert en Zellen synthetisiert, d ie in d ie Schleimhaut von Magen u nd Darm eingestreut sind. Diese Zellen gehören zum APUDZellsystem (APUD steh t für "Amine Precursor Up take an d Decarboxylat ion "). Sie nehmen also Amino säu ren auf und decarboxylieren diese, sodass biogen e Am ine entstehen. Im Folgenden wird nur eine kleine Auswahl de r wichtigs ten und ph ysikumsr elevanten Peptidhorm on e beschrieben. 2 .3 .1 Gastrin Gastrin wird von de n G-Zellen im An tru m und Duodenum p roduziert und bei Anstieg des pH-Werts de s Magens freige setzt; ein niedriger Mage n-p H hemmt die Gastrinausschüttung. Gastri n stimu liert die Belegzellen des Magens zu r ver me h rten Freiset zung von Magensäure (s. Abb . 20 und 21, S. 23).

Duoden um Abb. 27: Gallengänge und Gallenblase

2 .2.5 Kolon Die Funktion des Kolons wird wesentlich von seiner bakteriellen Flora bestimmt: pro Milliliter Darminhalt enthält das Kolon etwa 10-11 Bakterien. Diese Bakter ien können bestim mte Vitam ine (= Vitamin K, Vita mi n Bn ) p rodu zieren. Außerdem bild en sie bei der Zerset zung von Nahrungseiweißen Ammoniak, das der Körper dann über den Harnstoffzykl us entgiften muss. Einige Bakterien des Kolons besitzen Enz yme, die dem menschlichen Körper fehlen, und kön nen so z.B. d ie fü r uns unverdauliche Zellu lose verwerten und daraus Fettsäuren bilden. Schließlich übernimmt das Kolon einen geringen Teil der notwend igen Wasserresorption - ca. 1 liter Wasser wird am Tag im Dickdarm resorbiert.

2.3.2 Sekretin Sekr etin wir d von den S-Zellen im Dünndarm freigesetzt. Der Reiz für die Ausschüttung ist ein Abfall des du odenalen pH-Werts, also vor allem durch Mage nsa ft im Du odenum. Sekretin ist de r stärkste Stimul us der Gallense kretion. Außerde m stimu liert es die Ausführungsgänge de r exo kri nen Pan kreasdrüsen zur Bicarbo na tsekretion und bewirkt so mit die Ne utralisation der Magen säure. 2 .3.3 CCK Cho lezys tok in in, ku rz CCK, stammt aus den 1Zellen im Dünndarm. Es wird freigesetzt, we nn Fett e und Peptide ins Du od enum gela ng en, und stimu li ert die Enz ymsekretion au s de n Azini des exokrinen Pankreas, was d ie Peptid- und Fettve rda uung ermöglich t. Weiterhin bew irkt es d ie Kontrakti on d er Gallenblase, sodass d ie zur Fettverdau ung not wendige Galle ins Du odenum gelangt (s. Abb . 26, S. 27).

Verdauung und Resorption

2.3.4 M oti lin Motilin ist ein Peptid, das nicht au f di e Sekr etion im Magen-Darm-Trakt wirkt, sondern die motorischen Funktionen beeinflusst. Es stammt aus den M-Zellen im Du odenum und fördert die Magenentleerung. Darüber hin aus löst es den IMMC, den interdigestiven myoelektrischen Motorkomplex aus (s. 2.1.4, S. 20). 2.3.5 GIP GIP steht für "Glucose-dependent Insulin-relea sing Pep tide"; es stimuli er t also di e Insulinsekreti on . Es wird im Dünndarm von d en K-Zellen freigesetzt. Da es außerdem d ie Magenmotorik und die Sekretion von Magensäure hemmt, wurde es früher auch "Gastric Inhibitory Peptide" genannt.

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Übrigens ... Bei der Lact oseinto leranz ist das Enzym Lactase im Bürstensaum nicht in ausre ichender Menge vorhanden . Der Milch zucker in der Nahrung kann deshalb nicht gespalten wer den und bleibt im Dar mlume n zurück. Der osmotisch sehr aktive Zucker zieht Wasser ins Darm lumen , was wässrige Durchfälle auslöst .

2.4.2 Eiweißverdauung und -resorption Die Eiweißverdauung beginnt bereit s im Ma ge n: Die Salzsäure d en atu riert di e Proteine, und d as Pepsin beginn t bereits mit der Spaltu ng. Im Dünndarm werden d ie Eiweiße d ann durch di e Pankreasenzym e (Try psi n und Ch ym ot ryp sin) in Ami no säuren zerlegt. Die Aminosäuren werd en ebe nfalls üb er eine n Na tri u m-Sy mp ort in die Enterozyten aufgenommen . Hierfür gib t es vie r ve rsch iede ne Ca rrier, d ie jewe ils nur in ih rer Chem ie äh nliche Aminosäuren tran sp ortieren . Ins Blut gelangen die Aminosäuren ebe nfa lls passiv. In geringem Maße werden auch Di- un d Tripeptid e üb er einen Protonen-Syrnport in die Enterozy ten au fgeno mme n .

2.4 Verdauung und Resorption Unter Verdauung versteht man die chemische Zerlegu ng der 1 ahrung in ihre Bestandteile, wie Monosaccharide oder Aminosäuren. Die Resorption beschreibt die Aufnahme der ah rungsbestandteile in die Enterozyten, von wo aus sie en tweder in die Lymphe (Fette) oder ins Blut abgegeben werden. Der Hauptort sowohl der Verdauung als auch der Resorption ist de r Dünndarm, bes onders das Du odenum (mehr dazu s. Skript Biochemie 7). 2.4.1 Kohlenhydratverdauung und -resorp ti on Langkettig e Kohlenhydrate werden vor allem von der zx-Amylase aus dem Pankreassaft gespalten. Disaccharide werden von den Disaccharidasen gespalten Ge nach dem spezifischen Disaccharid, das sie spalten, heißen sie z.B. Maltase ode r Lactase), die sich im Bürstensaum des Duodenums befinden. Die entstehenden Mon osaccharide we rden sekundär-aktiv über einen Na tri u m-Syrnport-Carrier in die Enterozyten aufgenommen und diffundieren daraus passi v ins Blut. Eine Ausnahme bild et Fructose, deren Aufnahme in die En terozy ten passiv über einen spezifischen Carrier erfolgt.

2 .4 .3 Fettverdauung und -re sor pt ion Der Dünndarm ist d er Ort d er Fettverda u u ng . Die Gallensalze sind dafür essenziell : Sie so rg en für d ie Emulgierung der Nahrung sfette. u r in der Emulsion können die Lipasen aus dem Pankreassaft an der Gr en ze zwische n wä ssrige r und fettiger Pha se akti v werden. Dort spalten sie die ahrungs fette zu Monoglyceri de n und freien Fettsäuren. Diese Fettspa ltprod uk te bilden mit den Gallensäuren Mizellen . Das fu nk tioniert ungefähr so : Die Fettspa ltprod u kte we rde n im Inneren der Mize llen tra ns portie rt, außen lagern sich d ie Gall ens äuren an. Die lipo phile n Anteile der Gallensäuren zeigen dabei nach inn en, di e hydrophilen nach au ßen . Inn erhalb der Mizel len we rden die Fettspal tprod ukte bis an den Bürsten saum de r Enterozyten transporti er t, vo n wo au s sie passiv in di e Ent erozyten diffundieren, wo bei freie Fettsä u ren au ch Carrier ver m ittelt resorb iert werde n. In den Enterozyten we rde n aus den Fettspaltprodukten w iede r Fette syn the tisiert. Diese Fette werden zusa mmen mit Apoli po proteinen in Chylomik ro nen eingeba u t, di e in die Lymphbah n en des Darms abgegeben werden und un-

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30 I Ernährung und Verdauung

ter Umgehu ng d er Leber üb er den Ductus th oracicus in di e Blutbahn ge langen .

2 .4 .4 Vitamin 8 ' 2/ lntrinsic Factor Im Gegensatz zu den meisten anderen Stoffen, die im Duodenum resorbiert werden, wird das Vitamin B12 (= Cobalamin) erst im terminalen Ileum resorbiert. Diese Resorption ist nur möglich, wenn sich ausreichend Intrinsic Factor aus den Belegzellen des Magens im Darmlumen be findet. Der Intrinsic Fact or und das Vitamin BI 2 gehen im Darmlumen ein e feste Bindung ein . Nur in dieser gebundenen Form kann Vitamin Bl 2 an seinen Rezeptor im terminalen Ileum binden, wo es dann durch End ozytose aufgenommen wird. Übrigens ... Bei manchen Patienten kommt es nach Operationen des M agens zu einem M angel an Int rinsic Factor und damit auch zu einem Vitamin-B' 2-Mangel. Dieser äußert sich dann in Form einer hyperchromen Anäm ie [= perniziöse Anämie).

2.4.5 Eise nstoffwechsel Das Spurenelement Eisen wird im Duodenum resorbiert. Dazu muss Eisen in zweiwertiger Form (= in reduzierter Form) vorliegen. Reduktionsmittel wie Vitamin C verbessern deshalb die Eisenresorption im Duodenum, da sie das Eisen in der reduzierten Form halten; Komplexbildner wie Phosphat dagegen hemmen die Eisenresorption. Im Körper ist das Eisen an verschiedene Trägerproteine gebunden: intrazellulär an Ferritin

Darmlumen

(u nd H ärn os iderin ), ex traz ellu lär an Transferrin und Hämoglobin. Der w eitau s größte Teil (ca. 70% des Körpereisens) ist dabei an Hämoglobin gebunden . Weitere Eisenspeicher in Form von Ferritin finden sich vor allem in der Leber, dem Knochenmark und den Enterozyten. Das beim Abbau der Erythrozyten frei werdende Eisen wird zu m größten Teil recycled: Zuerst ein mal wird das Hämoglobin im Blutplasma an das Trägerprotein Haptoglobin gebunden. In der Leber wird das Häm zu Bilirubin umgewandelt, das mit der Galle ausgeschieden wird. Im Gegensatz dazu wird das frei werdende Eisen wieder in neu synthetisiertes Hämoglobin eingebaut. Eisen kann vom Körper nicht aktiv ausgeschieden werden! Eisenverluste gibt es nur - vom Körper nicht beeintlussbar - durch Blutverluste und Abschilferung von Enterozyten. Die Eisenbilanz wird vom Körper ausschließlich über die Eisenresorption reguliert, je nach Bedarf werden 10-40% de s ahrungseisen s resorbiert.

2 .4.6 W asser- und Elektrolytresorption Täglich gelangen etwa 10 I Wasser in den Darm (d urch Nahrung und Verdauungssäfte), mit dem Stuhl werden aber nur etwa 100 ml ausgeschieden. Etwa 9 I werden im Dünndarm resorbiert und nur 1 I im Dickdarm. Die treibende Kraft für die Wasserresorption ist die osmotische Kraft des atriurns, das v.a. durch den Dünndarm fast vollständig resorbiert wird. Natrium hat von allen Ionen die höchste Resorptionskapazität.

Enterozyt

Blut

Körperzellen

Ferritin (Fe3 +)

Transferrin (Fe3+)

Ferritin (Fe3+)

Fe3+ Vitamin C Fez+

Hämosiderin (Fe3+) Abb. 28: Eisensto ffwechsel

Das bringt Punkte

2 .4 .7 Parentera le Ernäh rung Bei der parenteralen Ernährung (wörtlich: am Darm vorbei) werden die wichtigen ahrungsbestandteile meist per Infusion in die Blutbahn gegeben. Bei kurzfristiger parenteraler Ernährung muss nu r Energie zugeführt werden, was in Form von Glucose geschieht. Wird längerfristig parente ral ernährt, müssen auch Aminosäuren, Fette (als Lipidemulsion) und Vitamine gegeben werden. Auf keinen Fall dürfen komplette Proteine infundie rt werden, da diese in der Blutbahn lebensgefährliche Immunreaktionen auslösen können.

2.5 Regulation des Essverhaltens Im Zeitalter der Adipositas sind die Mecha nismen, die unser Essverhalten regulieren, Gegensta nd inte nsiver Forschung. Im H ypothalamus befinden sich zwei Zen tren der Appetitregu lation : ein Esszentrum und ein Sattheitszentrum. Periphere und zentrale Botenstoffe modulieren die Akti vität dieser Zentren. So ist von dem Horm on Leptin bekannt, dass es über sein e Wirku ng au f den Hypothalamus de n Appetit hemmt. Leptin ist ein Hormon, dass vom Fettgewebe pr oduziert wird und dessen Blutspiegel gu t mit der Körperfettmenge korreliert. Leider scheint aber der menschlichen Adipositas kein Leptinmangel zugru nde zu liegen, der sich seh r einfach hätte therapieren lassen, sondern eine Resisten z der hypothalamisehen Leptinrezeptoren.

I 33

M echanismu s und Ste uerung der Magensäurese kr et ion sind in der schrift lichen, aber auch in der mün dlich en Pr üfung beliebte Theme n. In den letzten Examina wurd en vor allem die folgenden Punkte wiederholt gefrag t : • Histamin wird in der Magenwand durch Gastrin freigesetzt. • Histamin und Gastrin stimulieren die Sekretion von Magensäure. • Auf der luminalen Seite der Belegzellen befindet sich die H-/ K-·ATPase, die Protonen ins Magenlumen pumpt und dabei ATP verbraucht. Auch zum Pankreassaft lassen sich einige Aussagen finden, die besonders viele Punkte einbr ingen können: • Pankreassaft ist reich an Bicarbonat, um die in den Darm gelangte Magensäure zu neutralisieren. • Bicarbonat wird im Pankreasgang über einen Bicarbonat/Chlorid-Antiporter in den Pankreassaft sezerniert, • Mit steigender Flussr at e nimmt die Bicarbonatkonzentration im Pankreassaft zu; im gleichen Maße nimmt die Chloridkonzentration ab. • Bei der Mukoviszidose ist die Sekr etion von Chiarid und Bicarbonat in den Pankreassaft vermindert. Zur Galle und ihren Besta ndte ilen sollt et ihr vor allem wissen, dass • die Gallesekretion durch Sekretin stimuliert wird. • Bilirubin NICHT dem enterohepatischen Kreislauf unterliegt und zu ca. 85° 0 mit dem Stuhl ausgeschieden wird . Und auch hier noch einma l: Bitte lest die Fra-

gen zu Bilir ubin und Gallensäure n mögliChst~ genau und nehmt euch einen M om ent \ (, . <': Zeit , dar über nachzudenke n. Oie Ver wechslung von Gallensäur en und Bilir ubin kann wirklich sehr schnell gehen.

Besonders die M echanism en und die Ste uer ung der Sekretion ste hen in der schrift lichen Physikums prüfung im Vordergrund . Zur Speichelsekretion wurde bislang vor allem gefragt: • Der Primärspeichel der Azini ist plasmaisoton. • In den Ausführungsgängen werden Natrium und Chlorid resorbiert. Kalium und Bicarbonat sezerniert. • Bei höheren Flussr at en steigen die Natrium- und Chloridkonzentration des Speichels.

Außerde m sind noch zwei Aussage n in Bezug auf die Resor pt ion gute Punkteliefera nte n: • Glucose und Aminosäuren werden über einen Na- Symport sekundär-aktiv resorbiert. • Vitamin B' 2 wird im terminalen Ileum resorbiert.

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Ernährung und Verdauung

Beschre iben Sie bitte die St euer ung der Magensäurese kretion. Geruch und Geschmack sowie Magendehnung ~ Nervus vagus ~ Acetylcholin Magendehnung ~ Gastrin [aus G-Zellendes Antrums) Acetylcholin + Gastrin ~ Histaminausschüttung aus ECL-Zellen • Acetylcholin. Gastrin und Histamin stimulieren die Magensäuresekretion. • Hemmung der Magensäuresekretion durch Peptide aus dem Duodenum. • Gastrinausschüttung hängt vom Magen-pH ab. W ie kom mt es zur Ent ste hung von Magenulcera? W ie kann ma n sie t herapieren? Normalerweise herrscht ein Gleichgewicht von schädigenden (= Magensäure) und schützenden (= Schleim und Bicarbonat) Stoffen im Magen. Bei Verschiebung des Gleichgewichts zugunsten der Magensäure entstehen Ulcera. Möglicher Auslöser: Acetylsalicylsäure (= Aspirin) ~ Hemmung der Prostaglandinsynthese in der Magenwand ~ geringere Sekretion von Schleim und Bicarbonat. Außerdem kann die Besiedlung durch das Bakterium Helicobacter pylori zur Entstehung von Magengeschwüren beitragen. Therapie mit Protonenpumpenhemmern und Antibiotika. Nennen Sie bitte typische Bewegungsm ust er der Motorik des Verdauungstrakts. • propulsive Peristaltik • nichtpropulsive Peristaltik [= stehende Wellen) • rezeptive Relaxation (Akkommodationsreflex) • tonische Dauerkontraktion [= der Sphinkteren) • retrograde Peristaltik [z.B. beim Erbrechen) • IMMC [= interdigestiver myoelektrischer Motorkomplex)

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Energiehaushalt I 35

3

Energie- und Wärmehaus ha lt

Der Energie- und Wärmeha ushalt des Menschen ist im Examen nur ein kleiner Bereich der Physiologie, den es sich aber trotzdem zu lernen lohnt. Vor allem fürs schriftliche Examen kann man sich hier auf ein paar Zahlen, Definitionen und Zusammenhänge beschränken.

3.1 Energiehaushalt In der Physik ist Energie als Speicherform von Arbeit definiert, das heißt geleistete Arbeit kann in Form von Energie gespeichert werden. Energie kann mechanisch (z. B. in einer gespannten Feder oder auch in eine m gespannten Muskel), elektrisch (z. B.in einem Pla ttenkondensator) und chemisch (z. B. in Zucker oder ATP) gespeichert werden. Sie hat die gleiche physikalische Einheit w ie die Arbeit (= Newton x Meter oder Joule). Stän d ig wird im Körper Energie umgewandelt, z.B. Glucose in ATp, ATP in Muskelarbeit, ATP in j atrium und Kaliumkonzentrationsgradienten . Bei jeder dieser Energieumwandlungen geht dem Körper au ch Energie verloren, die als Wärme frei wird . 3.1.1 Brennwerte Die Energiezufuhr des Körpers geschieht über die ahrung. Die verschiedenen physiologischen Brennwerte der 1 ährstoffe sollte man sich unbedingt merken: • Kohlenhydrate: 17 kJ/g • Eiweiß: 17 kJ/g • Fett: 39 kJ/g • Alkohol: 30 kJ/g

Eiweiße u n d Kohl enh ydrate haben also de n glei chen Brennwert. Bei den Eiweißen gibt es noch eine Besonderheit: Ihr physikalischer Brennwert beträgt 21 kJ/g. Die Differenz zwischen dem physio logischen u nd dem physikalischen Brennwert kommt dadurch zustande, dass der Körper die Eiweiße nicht vollständig abbaut. Das Endprodukt der Eiweißverdauung ist Ammoniak, das selbst noch ein iges an Energie hat und zu dessen Entgiftung der Körper außerdem noch Energie aufbringen muss.

3 .1 .2 Grundumsatz und Ruheumsatz Der Grundumsatz ist definiert als der Energieumsatz unter standardisierten Ruhebedingungen. Aber was bitte sind standardisierte Ruhebedingungen? Darunter versteht ma n folgende Umstände: morgens, nüchtern, in Ruhe, bei thermischer Indifferenz und bei normaler Körpertemperatur. Der Gnmdumsatz beträgt bei Männern 4,2 kj/kg/h, bei Frauen 3,8 kJ/k g/h. Bei einem 70 kg schweren Mann ergeben sich für den Grundumsatz 7056 kJ pro Tag oder etwa 7 MJ. Jede Abweichung von den standardisierten Ruhebedingungen führt zu falsch hohen Mes sungen des Grundumsatzes, da durch jede Form der Bewegung, Verdauung und Temperaturveränderung zusätzlich Energie verbraucht wird . 3.1.3 Energiespeicherung Die Energie, die der Körper akut nicht benötigt, speichert er in verschiedenen chemischen Formen: • Am meisten Energie wird als Fett gespeichert. • Kohlenhydrate werden in Form von Glykogen in der Leber synthetisiert, um bei niedrigen Zuckerspiegeln wieder mobilisiert zu werden. Für die Muskelarbeit haben die Muskeln ihre eigenen Energiespeicher: • Glykogen, • Kreatinphosphat und • ATP (= Adenosintriphosphat).

Von diesen vier Speicherformen hat ATP den geringsten Anteil an der Energiespeicherung. 3.1.4 Respiratorischer Quotient Der respiratorische Quotient ist definiert als CO 2-Abgabe des Körpers geteilt durch die 0 2Aufnahme. Er kann durch Messungen in der Atemluft bestimmt werden. Der respiratorische Quotient ist abhängig von der Art der j ährstoffe, die ein Mensch zu sich nimmt. Zum Beispiel wird bei der Verstoffwechselung eines Moleküls Glucose ein Molekül CO 2 produziert und ein Molekül 02 verbraucht: C606H 12 + 602 ~ 6C0 2+ 6H 20. Der respiratorische Quotient für Kohlenhydrate ist also = 1. Der respiratorische Quotient für Fette ist deutlich kleiner als der für Kohlenhydrate (etwa 0,7). Bei normaler Mischkost wird mit einem respiratorischen Quotienten von 0,82 gerechnet.

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36 I Energie- und Wärmehaushalt

3 .1.5 Kaloris ch es Äquivalent Da de r Körp er zur Energiegewinn u ng Sau erstoff verbraucht, kann ma n aus d em Sau erstoffverbrauch auf d en Energieverbrauch einer Person schließen . Dazu wird d er Sauerstoffverbra uch mit einem feste n Faktor - dem kalorisch en Äquivalent - multipli ziert. Das kalorische Äquiva len t hat so die Einheit kJIl O, (Kilojoule pr o Liter Sauerstoff ) und bet rägt für d urc hschn ittliche Kost 20 kJIl o, 3.1.6 Kalorimetrie Die Messverfahre n zur Bestimmung des Energieverbrauchs nennt man kalorimetrische Verfah ren. • Bei d er direkten Kalorimetrie w ird eine Versuchspe rso n in eine geschlossene Kammer ges etzt und d ie Erwärmu ng der Kammer be stimmt, au s der dann auf die ver br au ch te Energie gesch lossen werden kann . Dieses sehr au fwendige Verfah ren wird kaum noch an gewendet. • Bei d er indirekten Kalorimetrie wird der 0 zVerb rauc h der Versuchspe rson bestimm t und daraus mit Hilfe de s kalorischen Äquivalents d ie verbrauchte Energiemenge bestimm t. Die ind irek te Kalorimetrie kann im geschlossenen ode r im offenen System durchgefüh rt wer den.

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.

•

Im Bere ich des Energ iehaushalts m uss man

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I': sich leider einige Zahlen und Forme ln merken. Vor allem die Brennwerte solltet ihr unbedingt kennen: Kohlenhydrate und Eiweiße 17kJ/g: Fette 39kJ/ g und Alkohol 30kJ/ g. Sie werden zum Teil als Zahlenwerte einfach abgefragt, zum Teil muss man auch dam it rechnen , wie in diesem Beispiel: W ie viel Gra m m Stä r ke haben den gleichen Energ iegehalt wie 50 g Alkohol? 50 g Alkohol haben den Energiegehalt 1 500 kJ [50g . 30 kJ/g]. Teilt man diese Energiemenge durch den Brennwert für Kohlenhydrate, ergibt sich die gefragte Menge Stärke: 1500 kJ/(17 kJ/g) '" 85g. Neben den Bre nnwe rten solltet ihr auch mit dem kalorischen Äquivalent um gehen können: Das kalorische Äquivalent mu ltipliziert mit dem Sauerstoffverbrauch ergibt den Energieverbrauch. Das kalorische Äquivalent beträgt 20 kJ/1 O2 ,

Übrigens .. . Gefragt wurde schon nach der Kalorimetrie im geschlo ssenen Syste m: Hier bei atm et der Pr oband in ein Spir omete r , wobe i das CO2 sofort aus der Ätem luft entfernt wir d. Durch den Sauerstoffverbrauch des Pro banden verring ert sich das im Spir om et er befindliche Volumen. Das fehlende Volumen entspricht daher dem verbra uchten Sauerst off.

Bei d er Kalorimetrie im gesch losse ne n System mü ssen also keine Gasp artialdrücke gemessen werden. Das Messen von Gaspartiald rücken find et im offene n System Verwe nd u ng : In der Ausateml u ft des Probanden werden hier die Partialdrücke von O, und CO z bestimmt und daraus (durch den Vergle ich mit der Einatem luft) die verbrauchte Sauerst offmenge errechne t.

• Definiere n Sie bitte den Begriff "Ener gie". Energ ie ist die Speicherform von Arbeit (= geleistete Arbeit wird in Form von Energie gespeichert]. Energie kann mechanisch, elektrisch und chemisch gespeichert werden. Sie hat die gleiche physikalische Einheit wie Arbeit (= Newton Meter oder J oule]. War um mu ss der Gr undumsatz beim nücht ernen Pat iente n best immt wer den? Verdauung und Absorption der Nahrung erhöhen den Ener gieums atz des Körpers ~ spezifisch-dynamische W irkung der Nahrung. Diese ist besonders hoch bei der Aufnahme von Eiweißen.

Wärmehaushalt

3 .2 Wärmehaushalt 3.2.1 Körpertemperatur im Tagesverlauf Die Körpertemperatur des Menschen wird vom Körper möglichst konstant gehalten. Die normale Körpertemperatur liegt dabei bei 36,5 Grad Celsius. Trotzdem gibt es physiologische zirkadiane Schwankungen der Körpertemperatur um etwa 1 Grad : Das Minimum wird um 4 Uhr morgens erreicht, das Maximum um 18 Uhr.

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bei wichtigen Fragestellungen die Messung der Körperkerntemperatur (meist rektal) der axillären Messung vor gezogen . Der Temperaturausgleich zwischen Körperkern und Peripherie geschieht über den Wärmetransport mit dem Blut. Dieser Mechanismus nennt sich auch innerer Wärmestrom. Bei niedrigen Außentemperaturen wird der Blutfluss u.a . zur Haut gedrosselt, sodass die Peripherie abkühlt. So werden die Wärmeverluste des Körp ers minimiert.

Wärmebildung

Abb. 29: zirkad ian e S chwankung der Körpertem pe ratur

Um die Körpertemperatur gezielt zu erhöhen, kann der Körper folgende Mechanismen nutzen: • Muskelbewegungen (= willkürliche und Zittern), • zitterfreie Wärmebildung im braunen Fettgewebe des Säuglings: In den braunen Fettzel len ist die Atmungskette entkoppelt, sodass kein ATP gebildet werden kann und die entsprechende Energie als Wärme frei wird. Die Wärmebildung im braunen Fettgewebe wi rd durch ß-Ad renorezep toren stimuliert.

3.2.2 Regelung der Körpertemperatur

Wärmeabgabe

Wie die meisten Wohnungen auch, hat unser Kör per eine Art Thermostat, der die Körpertemperatur konstant hält: den Hypothalamus. Hier befindet sich das Kerngebiet. dass die Körpertemperatur reguliert. Messen die Thermorezeptoren des Körpers zu hohe oder zu niedrige Temperaturen, kann der Hypothalamus über versc hiedene Mechanismen Wärmebildung oder Wärmeabgabe veranlassen. Die Umgebungstemperatur (= Lufttemperatur), die als angenehm empfunden wird, nennt man Indifferenztemperatur oder Behaglichkeitstemperatur.

Vier Mechanismen kann der Körper zur Wärmeabgabe nutzen: • Konduktion. • Konvektion, • Wärmestrahlung, • Verdunstung.

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Ql

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36 .5

Ql

1: Ql

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12

18

24 4 6 Tagesze it (h)

12

Inner er Wärmestrom Die Temperatur ist nicht überall im Körper gleich: Die höchsten Temperaturen herrschen im .Körperkern". niedrigere Temperaturen in de r Peripherie, also in den Extremitäten und der Haut. Die Temperatur des Körperkern s ist von Schwankungen der Außentemperatur weitgehend unabhängig, während die Peripherie bei niedrigen Außentemperaturen stark herunterkühlt - ma n denke an die extrem kalten Finger und Fü ße im Win ter. Desh alb wird in der Klinik

Kon d uktion. Unter Konduktion oder Wärmleitung versteht man die direkte Wärmeabgabe an umgebende Körper. Zum Beispiel geben eure Hände, wenn sie gerade auf dem Schreibtisch liegen, direkt Wärme an den Schreibtisch ab - deshalb fühlt er sich für euch kalt an . Diese Art der Wärmeabgabe ist rein physikalisch und funktioniert nur, solange die Schreibtischtemperatur unter der Hauttemperatur liegt. Liegt die Temperatur des Festkörpers über der Hauttemperatur, nimmt der Körper also über Kond uktion Wärme auf - wie wenn man sich im Winter die Hände an einem Becher Glühwein wärmt. Wie viel Wärme der Festkörper über Konduktion aufnehmen kann, hängt übrigens von seiner Wärmeleitfähigkeit ab: Zum Beispiel entzieht Metall dem Körper mehr Wärme als Holz; d as

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38 I Energie- und Wärmehaushalt

Metall hat die höhere Wärmeleitfähigkeit und fühlt sich deshalb kälter an . Konvektion. Mit Konvektion ist der Wärmeverlust an die Um gebungsluft gemeint: Die Luft in der Nähe des Körpers wird er wärm t; d iese wärmere Luft stei gt dann nach oben, wodurch wied er kältere Luft in Körpernähe gelangt und ihrerseits er wärmt werden kann. Warme Luft ist eben leichter als kalte Luft und steigt deshalb immer nach oben. Übri gens: auf genau dem selben Weg gibt auch ein Heizkörper Wärme an di e Raumluft ab. Der Begr iff Kon vektion meint genaugenommen nur den Wärmeverlust mit der bew egten Luft, das Erwärmen unbewegter Luft ges chieht durch Konduktion ! Wie bei der Konduktion kann auch über Konvektion nur dann Wärme ab gegeben werden, wenn die Lufttemperatur niedriger als die Körpertemperatur ist. Außerdem steigt der Wärmeverlust durch Konvektion an, wenn es umweltb edingt sta rke Luftb ewegungen gibt: Deshalb friert man be i starkem Wind wes entlich mehr als bei Windstille. Wärm es trah lu ng. Jeder Körper gibt ständig Energie über Wärmestrahlung an die umgebenden Gegenstände ab, die eine niedrigere Temperatur haben als der Körper selbst. Anders als bei der Konduktion ist hier kein e Berührung des Gegen standes erforderlich! Die Menge der abgestrahlten Energie hängt vor allem von der Temperaturd ifferenz zu dem entsprechenden Gegenstand ab und nicht von der Lufttemperatur. Das ist auch der Grund dafür, dass man im Winter in einer Wohnung, di e einige Zeit leer stand, auch noch einige Zeit friert, nachdem die Hei zung die Luft bereits erwärmt hat: die Wände sind von der Hei zung nicht aufgewä rmt worden, so dass der Körper Wärmestra hlu ng an die Wände abgib t. Nach einiger Zei t, wenn die Wände auch von der Heizung auf Zimmertemperatur aufgewärmt worden sind, reduziert sich die über Wärmestrahlung abgegebene Energie, man friert nicht mehr und fängt an sich zuhause zu fühlen. Evaporation. Von der Körperoberfläche verda mpfendes Wasse r entzieht dem Körper Wärme. Die Wärmeabgabe durch Verdunstung (= Evapo-

ration) ist nur dann möglich, wenn der Wasser dampfpa rtialdruck auf der Haut höher ist als der der umgebenden Luft. Auf der Haut bet rägt der Wasserdampfpartialdruck etwa 6,3 kPa. Der Wasserdampfpartialdruck der Luft hä ngt von der Luft feuchtigk eit und der Luft temperatur ab: In 37 Grad war mer Luft mit 100%iger Luftfeuchtigkeit beträgt der Wasserdampfpartialdruck der Luft auch 6,3 kPa, sodass unter diesen Bedingungen keine Wär me mehr über Verdunstung abgegeben wer den kann. Kältere Luft hat immer einen niedrigeren Wasserda mpfpartialdruck als die Haut, sodass die evaporative Wärmeabgabe an kältere Luft immer - auch bei 100%iger Luftf euchtigkeit - möglich ist (Man kann sich ja vo rstellen, dass der Körper die Luft in seiner Nähe konvektiv erwärmt und die wärmere Luft da nn me h r Wasserda mpf aufnehme n kann). Wärmea bgab e durch Verdun stu n g ist auch dann möglich, w enn die Lufttemperatur höher ist als d ie Hau ttemperatu r, da der Partialdruck d eutlich unter dem d er Haut liegen kann, wenn di e Luft nicht wasserdampfgesättigt ist. Zum Teil kann der Körper die evaporative Wärmeabgabe gezielt über die Schweißsekretion steuern (= Perspiratio sensibilis). Bei großen Verlusten von (elektrolytarmem) Schweiß droht die Gefahr einer hypertonen Dehydratation. Daneben tra gen täglich etwa 400 ml Wasser unwillkürlich zur evaporativen Wärmeabgabe bei; sie verdunsten von de n Sch leimhä u ten ode r nac h Diffusion durch d ie Ha u t (= Perspirat io insensibilis). 3.2.3 Hitzeakklimatisation Un ter Hitzeakklimatisation versteht man den Prozess der dauerhaften Anpassung an ein hei ßeres Klima: Der Körp er sondert auc h scho n bei nied rigeren Temperaturen me h r Schweiß ab, u m sich scho n von vornherein möglichst effektiv zu kühlen. Um der Gefahr der hypertonen Dehyd ratation vorzubeugen, wird das Durstgefühl verstärkt, sodass die Trinkmenge steigt. Au ch der Wasserspeicher des Körpers wird erhöht, das Plasmavo lumen steigt.

Basics Mündliche

Übrigens ... Fieber ents te ht , wenn im Kör per [z.B. aus zerfallende n Bakterien) Pyrogene fre igesetzt wer den. Diese Pyrogene wirken auf die Zentre n der Temperatu r reg ulatio n im Hypoth alam us und bewir ken dort eine Sollwertve rs te llung. Durc h die Differe nz zwischen effektiver Körpe rte mperatur und Sollwert beginnt der Körper Wärme zu bilden: der Patient fri ert. Bei sehr schnellen Temperaturanstiegen komm t es durc h Ausnutzen von unwillkürlichen Mus kelbewegungen zur Wärmebildung zum Schüttelfrost. W ird die Infektion eingedämmt, wirk en weniger Pyroge ne auf den Hypotha lam us, der Sollwert wird wieder nach unten ver st ellt , und die Körpertemperatur wird gesenkt. Während dieser Phase ist dem Patient war m - 50 kann m an anhand des subjektiven Befindens des Patiente n klinisch gut zwischen der Phase des Fieberanstiegs und der Fiebersenkung unterscheiden.

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I 39

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Beschre iben Sie bitte den Regelkre is der Temperatu rregulati on. Temperaturrezeptoren -7 Me ldung der Körpertemperatur [= peripher und zentral) an den Hypothalam us -7 Verg leich der Temperatur mit dem Temperatursollwert -7 bei Abweichung: Aktivierung von Mechanismen der Wärmebildung oder Wärmeabgabe. W ie wirkt Progesteron auf die Körpertemperatur? Progesteron bewirkt eine Erhöhung des Sollwerts im Hypothalamus um O.5°C. Was passiert bei Fieber? Ausschüttung von Pyrogenen [= fiebererzeugenden Stoffen) durch den Infekt -7 Pyrogene erhöhen den Sollwert des Hypothalamus -7 Wärmebildung [Patient friert subiektiv] bis zum Erreichen des Sollwerts.

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Zum Thema Wärm ehausha lt sollet ihr für das schr ift liche Exam en folgende Fakten parat haben: • Die Temperaturkurve schwankt im Tagesverlauf physiologisch um ca. 1 Grad Celsius. Das Minimum wird um 4 Uhr morgens er r eicht . Wärmeabgabe durch Verdunst ung • Die [= Evaporat ion) hängt von der Wasserdampfpartialdruckdifferenz zwischen der Haut und der Umgebungsluft ab. Bei 1OO%iger Wasserd ampfsättigung der Luft ist evaporative Wärmeabgabe nur an kältere Luft [= unter 3rC) möglich , hat die Luft 3rC und mehr, ist keine evaporative Wärmeabgabe mehr möglich.

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40

I

Index

Index Symbole a-Amylase 22, 26, 29

A A-Zellen 14 Acetylcholin 22,25,28 ACTH 5 Adenohypophyse 3 , 5 Adenylat cyclase 2 ADH 8 adr enocorticotropes Hor mon 5 Akkomodationsreflex 19 Akromegalie 7 Anäm ie 30 - per nrziose 30 Andr ogene 9 ant idiuretisches Hor mon 8 Appet it r egulat ion 33 APUO-Zellsyste m 28 Aquaporine 8

B B-Zellen 14 Behaglichkeitstemperat ur 37 Belegzellen 22 Bilir ubin 27,30 bite mporale Hem ianopsie 7 br aunes Fettgewebe 37 Bre nnwerte 35 - physikalische 35 - physiologisch e 35

C C-Zellen 15 Calcito nin 1 5 Calcitr iol 15 Calcium 2 , 15 cAMP 2 Carboa nhydrase 24 CCK 25 f., 28 Chenodesoxycholsäure 27 Cholesterin 27 Cholezystokinin 25 f., 28 Cholsäure 27

Chylomikro nen 29 Chymotrypsin 26, 29 Chymotrypsin(-ogen] 26 Corpus lut eum 11 Cort icoliberin 4 Corticot ro pin 5 Corticot rop in-Releasing-Hormone 4 Cortisol 10 CRH 4 Cushing-Syndrom 10

o D-Zellen 14 DAG 2 Dar m 20 Defäkationsreflex 20 Dejodase 9 Diabetes mellitus 14 Disaccharidasen 29 Dopamin 4 , 6

E ECL-Zellen 23 Effektorhormone 5 Eisen 30 Eiweiße 29 Elastase 26 Em ulgierung 29 Energie 35 Energiespeicherung 35 ente risches Darm nervensystem 18 enterohepatischer Kre islauf 27 Enterokinase 26 Evaporation 38

F Ferr itin 30 Fieber 39 follikelst imulier endes Hormon 5 Follit rop in 5 FSH 5 , 1 1

G G-Proteine 2 G-Zellen 22 , 28 Galle 27 Gallenblase 28

Index I 41

Galiensäur ejGallensalze 27 , 29 Gast rin 22 , 2 8 Gelbkörp er 11 GH 6 GHIH 4 GHRH 4 GIP 29 Glucocorticoide 9 Glucose-dependent Insulin-releasing Pept ide 29 Glukagon 14 GLUT-2-Tra nsporter 14 GLUT-4 -Tra nspo rter 14 GnRH 4 Gonadoliber in 4 Gonadotropin-Releasing-Hormone 4 Growth-Hor mon 6 Growth -Hormon-Inh ibiting -Hormone 4 Growth-Hor mo n-Releasing-Hor mone 4 Grundums atz 35

H W jK+-ATPase 24 H-Zellen 23 Häm oglobin 30 Hämos ider in 30 Haptoglobin 30 Hauptze llen 22 hCG 13 Hemianopsie 7 - bit empor ale 7 Histam in 23 Hitzeakklimatisation 38 Hormo ne 1, 5 , 8 - ant idiuretisches 8 - glandot ro pe 5 - hydroph ile 1 - lipophile 1 hPL 13 human es Chor iongonadotropin 13 humanes plazentar es Lakt ogen 13 hydroph il 1 Hyperth yreose 9 hypoth alamisch-hypophysär er Regelkreis 2

I IMMC 20 Indiffer enztemperatur 37 inner er Wärmestrom 37

Insulin 14 int erdigestiver myoelektrischer M otorkomplex 20 Intrinsic Factor 22, 30 IP3 2

J Joule 35

K Kalor imetrie 3 6 - dir ekte 36 - indire kte 3 6 kalori sches Äquivalent 36 Ketoazidose 1 5 Kohlenhydrat e 29 Kolloid 9 Kolon 2 8 Konduktion 37 Konvektion 38 Kör pertemperatur 37

L Lactas e 29 Lactoseintol eranz 29 Leptin 33 LH 5 Liberine 2 Lipase 26, 29 lipophile Hormon e 1 lut einisier endes Hormon 5 Lut eot r opin 5

M Magen 19 Mag engeschwür 23 f. Mag enperistaltik 19 Magensäure 22 Men struation 11 M inderwuch s 7 M iner alcorticoide 9 M izellen 27 , 29 Morbus 6 , 10 - Addison 6 , 10 - Cushing 10

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42 I Index

R

Motil in 29 M ukoviszidose 26

Reflux 19 Releasing Hormone 2 Resorption 29 r espir atorisch er Quotient 35 r ezeptive Relaxat ion 19 Riesenwuchs 7 Rückkopplung 3 - negative 3 Ruheums atz 35

N Nebennier enrinde 9 Nebenzellen 22 Neurohy pophyse 8 Neuropeptide 18

o Ösophagus 1 9 - Ösophagussphinkter Östrogen 1 1, 13 Ovulation 11 Oxytocin 8

S 19

p Pankreas 14, 25 - endokrines 14 - exokrines 2 5 Pankr easenzyme 29 Par asympat hikus 18, 22 Parathormon 1 5 parentera le Er nährung 33 Pepsin 22 Peptidhor mone 1, 28 Per istalti k 1 9 f. - nichtpropulsive 2 0 Perspiratio insensibilis 3 8 Persp iratio sensibilis 38 Pfortadersyste m 2 Phosphat 15, 30 Phospholipase C 2 Phospholipide 2 7 PIH 4 Plazent a 13 Plexus Auerbach 18 Plexus M eissner 18 Plexus myent ericus 1 8 Plexus submucosus 18 POMC 5 PRL 6 Pr ogest er on 11 , 13 Pr olakt in 6 Pr olaktin-Inhibit ing-Hor mone 4 Pr ote inkinase A 2 Proteo hor mo ne 1 PTH 15

S-Zellen 28 Salzsäure 22 Schilddr üsenhormo ne 8 Schwangers chaft 13 Schweißsekretion 38 second Messenger 2 Sekret in 25, 2 7 f. Sodbre nnen 19 Somat oliber in 4 Somatos ta t in 4 , 2 3 somatotropes Hormon 6 Somatotro pin 6 Speichel 2 1 St at ine 2 STH 6 Sympat hikus 18, 22

T TBG 9 Testos t ero n 11 Thyreoglobul in 9 Thyre oliberin 4 Thyreot r opin 5 Thyreot r opin-Releasing-Hormon 4 Thyroidea-st imulierendes-Hormon 5 Thyroxin 8 Thyroxin-bindendes Globulin 9 Trans ferrin 30 Tra nsportp roteine 1 TRH 4 Trijodthyronin 8 Trop ine 3 Trypsin 26,29 Trypsin(-ogen) 26 TSH 5

Index I 43

V vagovagaler Reflex 19 vasoaktives int est inales Peptid 19 , 22 Vasopr essin 8 Ver dauung 29 - Eiweißver dauung 29 - Fettve rda uung 29 - Kohlenhydr atverd auung 29 Verdun stung 38 VIP 19, 2 2 Vit amin-D-Horm on 1 5 Vitam in 8 12 2 2 , 30 Vitam in C 30

L-,

W W achstum shorm on 6 Wärmeabgabe 37 Wä r mebildung 37 W ärm estrahlung 38 Wasserda mpfpartialdruc k 38

Z Zyklus 11 zyst ische Fibrose 26

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