Gradl / Köhler Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach Tierphysiologie

1. Auflage 2017
ISBN: 978-3-8463-4570-2
Verlag: UTB
Format: EPUB
Kopierschutz: 6 - ePub Watermark

E-Book, Deutsch, 176 Seiten

Reihe: Prüfungen erfolgreich bestehen

Die Autoren dieses Titels vermitteln einen Überblick über Prüfungswissen im Fach Tierphysiologie. Dabei wird Wert darauf gelegt, Themengebiete der Tierphysiologie so zu verknüpfen, dass das Denken in Schubladen aufgebrochen und Transferwissen aufgebaut wird. Mit spezifischen Fragestellungen werden beispielhaft unterschiedliche Aspekte aus verschiedenen Bereichen der Physiologie zusammengeführt. Zusätzliche Übungsklausurfragen sollen eigene Überlegungen anregen. Mit diesem Buch können Studierende insbesondere der Biologie und verwandter Studiengänge der Lebenswissenschaften das im Studium erworbene Wissen aus unterschiedlichen Blickwinkeln abfragen und Verständnisprobleme erkennen. Ideal geeignet als zusätzliche Lernhilfe zu den klassischen Lehrbüchern und zur erfolgreichen Prüfungsvorbereitung!

PD Dr. Dietmar Gradl, Studium der Biologie an der Universität Ulm, dort Promotion über die Koordinierung der Zelladhäsion durch externe Signale. Seit 2001 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), ehedem Universität Karlsruhe, wobei der Forschungsschwerpunkt auf Signalübertragungsmechanismen zur Koordinierung der frühen Embryonalentwicklung liegt. 2007 Habilitation am KIT im Fachbereich Zoologie. Seit vielen Jahren in unterschiedlichen Modulen der Biologielehre involviert, unter anderem auch im Tierphysiologischen Praktikum und den dazugehörenden Vorlesungen und mentorierten Tutorien.

Autoren/Hrsg.

Gradl, Dietmar

Köhler, Almut

Inhaltsverzeichnis

Vorwort 7
1 Stoffwechsel 9
1.1 Intestinale Verdauung am Beispiel Döner Kebab 9
2 Umformen von Energie 22
2.1 Atmungskette und ATP-Synthase 23
2.2 Substratketten-Phosphorylierung 33
2.3 Querbrückenzyklus im Muskel 34
2.4 Zilienschlag 35
2.5 Membranpotenzial 37
2.6 Transferfragen zum Thema Umformen von Energie 38
3 Natriumchlorid 43
3.1 Sinneswahrnehmung: Generierung eines Rezeptorpotenzials in Geschmackspapillen 44
3.2 Membranphysiologie: Generierung von Ruhepotenzialen und Aktionspotenzialen 45
3.3 Resorption – insbesondere Aufnahme von Glukose und Aminosäuren 47
3.4 Hormone und Regulation des Wasser- und Salzhaushalts durch ADH und Aldosteron 48
4 Nerv und Sinne 54
4.1 Reizweiterleitung 57
4.2. Sehen 63
4.3 Reizunterscheidung 66
4.4 Hören 67
5 Kalzium 69
5.1 Muskelfunktion 70
5.2 Synapse 72
5.3 Sekundärer Messenger 73
5.4 Herz-Aktionspotenzial 75
5.5 Blutgerinnung 77
5.6 Zell-Zell-Adhäsion 78
5.7 Regulation der Kalziumkonzentration durch Parathormon und Calcitonin 79
6 Sauerstoff und Höhentraining 81
6.1 Atmung 82
6.2 Anpassung an die Höhe 84
6.3 Transferfragen 91
7 Fight and Flight 94
7.1 Vegetatives Nervensystem 95
7.2 Adrenalin und Noradrenalin 98
7.3 Vergleich der Kommunikation neuronal und humoral 99
7.4 Stress und seine Auswirkungen: Corticoid-Metabolismus 100
7.5 Herz und Kreislauf/Regulation des Blutdrucks 108
7.6 Transferfragen 110
8 Fortpflanzung 113
8.1 Beteiligte Hormone 113
8.2 Hormonelle Regulation des Reproduktionszyklus 115
8.3 Steuerung von Sexualhormonen 119
8.4 Kontrazeption 123
8.5 Therapeutischer Einsatz von Sexualhormonen 124
9 Blut 125
9.1 Zusammensetzung des Blutes 126
9.2 Immunsystem 128
9.3 Blutgerinnung 135
10 Phosphorylierungen 137
10.1 Phosphorylierung von Zuckern bzw. Nukleosiden 139
10.2 Phospholipide 143
10.3 Phosphorylierung von Aminosäuren 145
10.4 Kinasen 146
11 Fragen querbeet 150
12 Übungsklausuren 165
12.1 Klausur A 165
12.2 Klausur B 167
Literaturverzeichnis 169
Register 172

Leseproben

1Stoffwechsel

Die allgemeine „Energiewährung“ aller Zellen ist Adenosintriphosphat, ATP. Dabei steckt die nutzbare Energie in den Phosphat-Phosphat-Bindungen dieses Energieträgers, und nach hydrolytischer Spaltung entstehen die energieärmeren Nukleotide Adenosindiphosphat (ADP) bzw. Adenosinmonophosphat (AMP). Ziel des katabolen Stoffwechsels ist es, genügend ATP herzustellen. Die ATP-Synthese erfolgt entweder direkt bei sogenannten Substratketten-Phosphorylierungen oder indirekt über Redox-Reaktionen mit anschließender Oxidation der Reduktionsäquivalente NADH/H+ und FADH2 in der Atmungskette. Die Lieferanten der Reduktionsäquivalente sind dabei hauptsächlich die Energiespeicher Kohlenhydrate und Fette. Diese Energiespeicher gilt es durch Nahrungsaufnahme aufzufüllen. Da der bei Weitem größte Teil der Kohlenhydrate und Fette in der Nahrung in Form komplexer polymerer Verbindungen vorliegt und die Struktur der Resorptionsepithelien eine Aufnahme großer polymerer Verbindungen in der Regel nicht erlaubt, werden im Zuge der intestinalen Verdauung, also im Magen-Darm-Trakt, die Polymere in Monomere zerlegt (s. Abb. 1.1).

Abb. 1.1 Der intestinale Verdauungsvorgang zerlegt die komplexen Nahrungsmoleküle in ihre Monomere. Zur Energiegewinnung werden die Monomere intrazellulär verdaut. Dabei werden die Kohlenstoffe zu CO2 aufoxidiert und O2 zu H2O reduziert.

Fragen und Antworten

Das Kapitel Stoffwechsel umfasst:

• Intestinale Verdauung am Beispiel Döner Kebab

1.1Intestinale Verdauung am Beispiel Döner Kebab

Mit einer ausgewogenen Mahlzeit nehmen wir die drei Grundbestandteile der Nahrung, Kohlenhydrate, Fette und Aminosäuren, als komplexe polymere Verbindungen auf. Im Verdauungskanal werden diese komplexen Polymere in ihre Bestandteile zerlegt, um als Monomere resorbiert zu werden. Triacylglyceride werden zu Diacylglyceriden, Monoacylglyceriden, freien Fettsäuren und Glycerin abgebaut. Polymere Kohlenhydrate werden in monomere Hexosen wie Glukose, Fruktose und Galaktose zerlegt, und Proteine werden zu Tripeptiden, Dipeptiden und vor allem zu freien Aminosäuren zersetzt.

Während die glykosidischen Bindungen der Kohlenhydrate für einen enzymatischen Abbau gut zugänglich sind, sind das Aufbrechen der Esterbindungen der Triacylglyceride, sowie das Aufbrechen der Peptidbindungen der Proteine aus unterschiedlichen Gründen deutlich erschwert. Triacylglyceride sind als lipophile Substanzen im wässrigen Milieu des Verdauungskanals unlöslich und damit räumlich von den im wässrigen Milieu befindlichen hydrophilen Lipasen getrennt. Für eine effiziente Verdauung müssen die Fette also erst in räumliche Nähe zu den Lipasen gebracht werden. Proteine zeichnen sich durch eine komplexe dreidimensionale Struktur aus, mit der Konsequenz, dass bei globulären Proteinen der weitaus größte Anteil an Peptidbindungen im Innern des gefalteten Proteins und damit unzugänglich für Peptidasen liegt. Auch hier muss zuerst gewährleistet werden, dass die Verdauungsenzyme an ihr Substrat gelangen.

Darüber hinaus bestehen polymere Kohlenhydrate wie Stärke aus mehreren tausend Monomeren, Proteine häufig aus über tausend Aminosäuren. Da die Verweildauer im Magen-Darm-Trakt zeitlich begrenzt ist, muss das Aufbrechen möglichst aller glykosidischen Bindungen bzw. Peptidbindungen sehr effizient erfolgen.

Schließlich sollen die monomeren Bestandteile, also Fettsäuren, Aminosäuren und Kohlenhydrate möglichst komplett aus dem Darmlumen ins Blut transportiert werden, teilweise entgegen der Konzentrationsgradienten.

Die anatomischen Anpassungen und biochemischen Mechanismen unseres Verdauungskanals, die eine effiziente Nahrungsaufnahme überhaupt ermöglichen, sind vielgestaltig und reichen von angehängten Drüsen wie Leber/Galle oder Bauchspeicheldrüse über unterschiedliche pH-Werte in verschiedenen Abschnitten des Magen-Darm-Trakts und Oberflächenvergrößerungen am Resorptionsepithel des Dünndarms bis zu fein justierten Transportmechanismen für die Resorption der Monomere am Dünndarmepithel.

Am Beispiel eines Döner Kebabs werden wir im Folgenden die Verdauung der Kohlenhydrate, der Proteine und der Fette im Einzelnen durchnehmen.

Die Nahrung gelangt über Mund und Speiseröhre in den Magen. Der Pförtner (Pylorus) kontrolliert die Weiterleitung in den Zwölffingerdarm (Duodenum), aus dem der Nahrungsbrei dann weiter über Dünndarm, Dickdarm und Enddarm zum After transportiert wird. Die wesentlichen akzessorischen Drüsen sind prägastrisch, also vor dem Magen gelegen, wie die Speicheldrüsen (Mundspeicheldrüsen und Ohrspeicheldrüse) sowie postgastrisch wie die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) und die Leber mit Gallenblase (s. Abb. 1.2).

Abb. 1.2 Anatomie des Verdauungssystems und der akzessorischen Drüsen.

Grundbestandteil des Fladenbrots ist das polymere Kohlenhydrat Stärke. Dieses besteht aus den Komponenten Amylose und Amylopektin, wobei Amylose ein Polymer aus a-1,4-verknüpfter Glukose, Amylopektin ein verzweigtes Polymer aus a-1,4- und a-1,6-verknüpfter Glukose darstellt. Die drei großen Speicheldrüsen im Mund – Ohrspeicheldrüse, Unterkieferspeicheldrüse und Unterzungenspeicheldrüse – sezernieren in ihrem Speichelsekret unter anderem das Enzym a-Amylase. Dieses Enzym spaltet a-1,4-glykosidische Bindungen innerhalb eines Moleküls. Als Reaktionsprodukte entstehen aus dem Abbau von Amylose und Amylopektin neben verknüpften Oligosacchariden auch a-1,4-Glukose-Dimere, also Maltose. Maltose bindet an die Zuckerrezeptoren an den Geschmacksknospen der Zunge und vermittelt den Eindruck „süß“. Aus dem Abbau von Amylopektin entstehen darüber hinaus auch verzweigte Oligosaccharide mit a-1,4- und a-1,6-glykosidischen Bindungen.

Der Ductus pancreaticus, also die Verbindung der Bauchspeicheldrüse mit dem Verdauungskanal, mündet in den Zwölffingerdarm. Der Nahrungsbrei hat also bereits den Magen passiert. Das saure Milieu im Magen hat auch die Amylase der Mundspeicheldrüsen genau wie die mit der Nahrung aufgenommenen Proteine denaturiert und durch die Protease Pepsin angedaut. Damit wird im Magen die Kohlenhydratverdauung gestoppt. Erst durch die Amylasen des Pankreas wird die Kohlenhydratverdauung wieder aufgenommen.

Ausschlaggebend für die Art, wie die unterschiedlichen Hexosen von den Darmepithelzellen aufgenommen werden, sind die Konzentrationsverhältnisse. Die intrazelluläre Konzentration von Glukose ist hoch, sogar höher als die Glukosekonzentration im Blut und deutlich höher als die Glukosekonzentration im Darmlumen. Somit kann Glukose aus den Darmepithelzellen passiv ins Blut diffundieren, muss aber, um vom Darmlumen in die Epithelzelle aufgenommen zu werden, entgegen seines Konzentrationsgradienten transportiert werden. Dies geschieht im Symport mit Na+ (s. Abb. 1.3). An der apikalen Seite wird Glukose über SGLT-Transporter (Sodium/Glukose-Transporter) aufgenommen. Im Darm ist dies SGLT-1, ein Transportprotein, das zwei Natriumionen zusammen mit einem Glukosemolekül aus dem Darmlumen in die Darmepithelzelle einschleust. Die intrazelluläre Glukosekonzentration kann damit deutlich höher sein als die Glukosekonzentration im Darmlumen und im Blut. Die intrazelluläre Na+-Konzentration wird durch die permanente Aktivität der Na+/K+-ATPase an der basalen Seite auf ca. 15 mM gehalten, sodass ein permanenter Natriumgradient über der apikalen Seite der Enterozyten bestehen bleibt. An der basalen Seite strömt Glukose passiv aus der Zelle. Dies geht nur über spezifische Proteine, im Darm hauptsächlich über GLUT2.

Abb. 1.3 Auf der basalen Seite der Enterozyten sorgt die Na+/K+-ATPase dafür, dass intrazellulär die Natriumkonzentration sehr gering bleibt. Damit besteht an der apikalen Seite ein Na+-Gradient, Na+ strömt vom Darmlumen in die Enterozyten. Dies geht vorwiegend durch zur Familie der SGLT gehörende Transportproteine im Symport mit Glukose (Glc). Damit steigt die intrazelluläre Glukosekonzentration so hoch, dass an der basalen Seite Glukose passiv durch Kanalproteine der GLUT-Familie ins Blut aufgenommen wird.

Die Konzentrationsverhältnisse für Fruktose sehen anders aus. Die...

Über Autor(innen)

Köhler, Almut
Ph.D. Almut Köhler, Studium der Tiermedizin an der Tierärztlichen Hochschule Hannover, Promotion im Fachbereich Nutztierphysiologie des Instituts für Tierzucht und Tierverhalten der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft in Celle über die geschlechtsspezifische Verteilung von Neurohormonen bei Hühnern, danach über die Entwicklung von Neuralleistenzellen bei Krallenfröschen. Aktuell Tierschutzbeauftragte am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Neben der Forschungstätigkeit seit vielen Jahren Betreuung des tierphysiologischen Anfängerpraktikums des KIT und Beteiligung an den dazugehörenden Vorlesungen.

Gradl, Dietmar
PD Dr. Dietmar Gradl, Studium der Biologie an der Universität Ulm, dort Promotion über die Koordinierung der Zelladhäsion durch externe Signale. Seit 2001 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), ehedem Universität Karlsruhe, wobei der Forschungsschwerpunkt auf Signalübertragungsmechanismen zur Koordinierung der frühen Embryonalentwicklung liegt. 2007 Habilitation am KIT im Fachbereich Zoologie. Seit vielen Jahren in unterschiedlichen Modulen der Biologielehre involviert, unter anderem auch im Tierphysiologischen Praktikum und den dazugehörenden Vorlesungen und mentorierten Tutorien.