Kapitel 4: Stoff- und Energiewechsel

• Mehr oder weniger große Unabhängigkeit der Körpertemperatur eines Organismus von der Außenwelt

=> Körperkerntemperatur von etwa 37°C

(optimale Temperatur, damit Proteine und Prozesse vernünftig ablaufen können)

1) Thermokonformer => poikilotherme/ektotherme Tiere

• Tiere: Amphibien, Reptilien, (Fische u. Insekten)

• passen ihre Körpertemperatur direkt an Umgebungstemperatur an

• besitzen wenig oder keine Mechanismen, um ihre Temperatur unabhängig von der Umgebung zu steuern/regulieren

Regulation der Temperatur erfolgt nicht aktiv über Stoffwechselprozesse, sondern durch…

Verhaltensgesteuert:

• Eidechsen legen sich in Sonne -> durch Sonnenwärme wärmen sie sich auf

Physiologisch: unbewusst aber eher aktive Komponente der Regulation

• Muskelzittern von Bienen

  -> bringen Thorax auf Betriebswärme -> Form von Wärmeerzeugung

poikilotherm = Variabilität Körpertemperatur

ektotherm = Wärme aus Wärmequellen beziehen

2) Thermoregulatoren => Homoiotherme/endotherme Tiere

• Tiere: Säugetiere, Vögel

• regulieren ihre Körpertemperatur aktiv und halten sie konstant, unabhängig von Umgebungstemperatur durch physiologische Mechanismen

• Messglieder: Wärme-, und Kälterezeptoren

  -> senden Signale über Abweichung der Temperatur an Hypothalamus

• Reaktion des Hypothalamus (Steuerzentrale) auf Veränderung

  -> aktiviert über Stellglieder die passenden Mechanismen

• Stellglieder: Effektoren

  • Wärmeproduktion: Muskulatur Zittern, Erhöhung Stoffwechsel, Erweiterung Blutgefäße

  • Wärmeabgabe: Schweißdrüsen, Verengung Blutgefäße

homoiotherm = Temperatur konstant halten

endotherm = Wärme durch Stoffwechsel erzeugen

Thermokonformer:

• passen sich passiv an die Umgebungstemperatur an

• haben niedrigen Energieverbrauch

• begrenzte Aktivität bei extremen Temperaturen

  
  

Thermoregulatoren:

• halten Körpertemperatur konstant

• energieaufwendig

• aktiv in unterschiedlichen Umgebungen

1) Wärme: Form von Energie

• Energie, die zwischen zwei Systemen übertragen wird, aufgrund eines Temperaturunterschieds

• (Wärme fließt immer von einem wärmeren zu einem kühleren System)

  
  

Beispiel:

• Körper in kalten Umgebung -> Wärmeenergie wird von Körper abgegeben an Umgebung -> Körper kühlt ab und Umgebung erwärmt

2) Temperatur

• beschreibt den thermischen Zustand eines Systems (z.B. Körper/Organismus) “kalt/warm”

• Regulation der Körpertemperatur durch…

  -> Wärmeabgabe: Schweißdrüsen

  -> Wärmeproduktion: Muskelzittern

• Körpertemperatur steigt -> Moleküle im Körper bewegen sich i.D. schneller

=> Ausscheidung von Abfallprodukten des Stoffwechsels (z. B. H₂O und stickstoffhaltige Verbindungen wie Harnstoff oder Harnsäure)

=> Exkretion eng gekoppelt mit Wasserhaushalt

-> viele Abfallprodukte können nur in gelöster Form ausgeschieden werden

1) Ammoniak (NH3)

• Tiere: wasserlebende Invertebraten, Knochenfische, Amphibienlarven

  => ammoniotelisch

• hochgradige Wasserlöslichkeit + toxisch

  -> direkte Abgabe ins Wasser

  -> Verringerung der Toxizität durch Verdünnung

2) Harnstoff

• Tiere: Amphibien, Säuger => ureotelisch

• Gute Wasserlöslichkeit + weniger toxisch als Ammoniak

• Harnstoff + Wasser => Urin

• Harnstoff wird in wässriger Form (Urin) ausgeschieden

  -> erfordert ausreichende Wasserzufuhr (für Verdünnung)

3) Harnsäure

• Tiere: Insekten, Vögel, Reptilien => uricotelisch

• Geringe Löslichkeit

• Ausscheidung als halbfester/fester Stoff

  -> spart Wasserbedarf

  -> nur sehr wenig Wasser wird benötigt

• Vorteil in trockenen/wasserarmen Umgebungen

1) Filtrationsorgan

Funktion:

• Filtern Blut oder Körperflüssigkeiten, um Abfallprodukte/Stoffe von nützlichen Substanzen zu trennen und dann auszuscheiden

• Regulieren Wasser-, und Elektrolythaushalt des Körpers

Beispiel:

• Protonephridien: Tiere ohne Coelom (Plathelminthes)

• Metanephridien: Tiere mit Coelom (Annelida)

• Nephronen: Einheit der Wirbeltierniere

2) Sekretionsorgan

Funktion:

• Aktive Aufnahme von Abfallstoffen, die bereits im Körper vorhanden sind (ohne Filtration von Körperflüsigkeit)

Beispiel:

• Malpighi-Gefäße: Insecta, Chelicerata, Myriapoda

  • dünne Schläuche Grenze Mitteldarm/Enddarm (mit Hämolymphe verbunden)

  • Entstehung Primärharn durch Sekretion von Abfallstoffen aus Hämolymphe in Malpighi-Gefäß

Filtrationsorgan:

• filtern Körperflüssigkeiten (z. B. Blut) -> trennen Abfallstoffe von nützlichen Substanzen (wie Glukose, Mineralien) -> Entstehung Primärharn

Sekretionsorgan:

• Aktive Aufnahme von Abfallstoffen aus Gewebe oder Körperflüssigkeiten (z.B. Hämolymphe) ohne vorherige Filtration der gesamten Flüssigkeit -> Primärharn

Nierenkörperchen -> Bildung Primärharn

• nützliche Substanzen + Abfallstoffe

Nierenkanälchen -> wird zum Sekundärharn

Proximaler Tubulus:

• Resorption wichtiger Stoffe und Integration in Blutkreislaufsystem zurück

• paralell Sekretion von Abfallstoffen aus den umgebenden Blutkapillaren

Henle-Schleife: Gegenstromprinzip

Absteigender Schenkel:

• Wasserdurchlässig -> Wasser tritt aus Tubulus aus (durch Osmose)

  -> Salze/Ionen verbleiben-> undurchlässig

  -> Harn wird konzentrierter!

Aufsteigender Schenkel:

• Wasserundurchlässig (Wasser kann nicht folgen)

• Resorption von NaCl -> diffundiert ins Gewebe außerhalb

  -> Harn wird verdünnter!

Distaler Tubulus:

• Rückresorption von Natrium und Wasser

• Sekretion von Kalium und H+, um Elektrolyt- und Säure-Basen-Haushalt des Körpers auszugleichen

Sammelrohr -> Weitere Wasserrückresorption

• -> ADH-Hormon

  • Körper Wasser sparen -> mehr ADH-Freisetzung

  • Dadurch kann mehr Wasser aus Harn ins Nierenmark fließen

  • Urin -> konzentrierter

  • Körper hat genug Wasser

  • weniger ADH-Ausschüttung

  • Sammelrohr bleibt weniger durchlässig für Wasser

  • Urin -> verdünnter

• Endharn -> Harnleiter -> Harnblase -> Harnröhre -> Ausscheidung

1) Bildung des Primärharns durch Druckfiltration oder Sekretion

a) Druckfiltration:

• Ort: In Filtrationsorganen wie Nieren (bei Wirbeltieren) oder Nephridien (bei Wirbellosen)

• Prozess: Filtration im Glomerulus -> Blut wird unter Druck gefiltert -> Entstehung des Primärharns

• Mechanismus: Übertretung geregelt durch Molekülgröße und Filtrationsmembran

b) Sekretion:

• Ort: In Sekretionsorganen wie Malpighi-Gefäßen (bei Insekten)

• Prozess: Aktiver Transportmechanismus -> Abgabe Abfallstoffe vom Blut in Gefäß

  -> Rückresorption im Endharn z.b. Ionen und Wasser

2) Bildung des Endharns (Urin) durch Rückresorption/Sekretion

a) Rückresorption:

Prozess: Wertvolle Substanzen wie Wasser, Glukose und Ionen werden in den Blutkreislauf zurückgeführt

b) Sekretion von Abfallsubstanzen:

Prozess: Überschüssige oder schädliche Substanzen werden aktiv ins Lumen des Tubulus transportiert aus dem Blut

=> Endharn

• Endharn (Urin) im Sammelrohr -> Weiterleitung zur Harnblase (Ausscheidung)

=> Gezielte Steuerung der Konzentrationen einzelner Ionen, wie Na⁺, K⁺, Cl⁻, Ca²⁺, unabhängig davon, ob die Gesamtkonzentration aller gelösten Teilchen (Osmolarität) steigt oder fällt.

=> Körper kann Ionenkonzentrationen ändern, ohne automatisch die gesamte Osmolarität zu beeinflussen

-> Nutzung von Mechanismen zur Stabilisierung der Osmolarität (z.B. Wasserhaushalt, Ausgleich mit anderen gelösten Teilchen)

1) Ionenkanäle

• Bilden Pore in Zellmembran

  -> spez. Ionen können durch diffundieren

  -> passiv (entlang Konzentrations-, oder Ladungsgradienten)

• Ligandengesteuerte Ionenkanäle

  -> Bindung eines Liganden zur Öffnung

• Spannungsgesteuerte Ionenkanäle

  -> Öffnung/Schließung durch Änderung des Membranpotenzials (Na-, K-Kanäle)

• Mechanisch gesteuerte Ionenkanäle

  -> Öffnung Deformation Zellmembran

2) Trägerproteine

• aktiv oder passiv

  -> Transport von Substanzen von einer Seite der Membran zur anderen Seite

  -> Konformationsänderung des Proteins, um Substrat wieder freizusetzen

  • Uniporter, Symporter, Antiporter

• Ionenpumpen = spezielle Trägerproteine

  -> arbeiten aktiv gegen Konzentrationsgradienten

  • Na+/K+-Pumpe

=> Prozess: Regulation der Gesamtkonzentration aller gelösten Stoffe (Ionen, Zucker, Harnsotff etc.) in den Körperflüssigkeiten

Ziel:

• Aufrechterhaltung osmotisches Gleichgewicht

  -> zwischen Wassermenge und Konzentration der gelösten Stoffe

  -> Damit Zellen nicht schrumpfen oder aufquellen

Osmose:

• Wanderung von Wasser durch semipermeable Membran von Bereich niedrigerer Konzentration gelöster Stoffe zum Bereich höherer Konzentration gelöster Stoffe

Osmolarität:

• Maß für die Konzentration gelöster Teilchen (z.B. Ionen, Moleküle) in einer Lösung

• Angabe in mOsm/L

1) Osmokonformer

-> vorwiegend marine Umgebung (marine Invertebraten + Knorpelfische (Hai))

• passen innere Osmolarität an Osmolarität ihrer Umgebung an = Isoosmotisch

2) Osmoregulatoren

-> vorwiegend süßwasser- und landlebende Organismen (Säuger, Vögel, Süßwasserfische)

aber auch einige marine Knochenfische!

• Regulation der inneren Osmolarität unabhängig von ihrer Umgebung

Folgende Szenarien:

1) Hohe Osmolarität im Körper - Süßwasserfisch (Hyperosmotisch)

• Körper -> hohe Osmolarität

• Umgebung -> niedrigere Osmolarität

• Wasser wird von Region mit niedriger Osmolarität (Umgebung) in Region mit höherer Osmolarität (Körper) fließen

  -> Wasser strömt in Körper -> Zellen schwellen an

2) Niedrige Osmolarität im Körper - Meeresfische (Hypoosmotisch)

• Körper -> niedrige Osmolarität

• Umgebung -> hohe Osmolarität

• Wasser fließt von niedrigem Bereich (Körper) zum höheren Bereich (Umgebung)

  -> Wasser strömt aus Zellen heraus

  -> Zellen schrumpfen

Hyperosmotisch: Süßwasserfische

• Ausscheidung des permanent aufnehmenden Wassers über große Mengen

• Aktive Aufnahme von Salzen, um Salzverlust auszugleichen

Hypoosmotisch: Meeresfische

• trinkt Meerwasser, um Wasserverlust auszugleichen

• Ausscheidung überschüssiger Salze aktiv über die Kiemen und Nieren

• Gastransport

• Stofftransport

Sauerstoffaufnahme durch die Lunge (Diffusion)

• O2 wird in der Lunge aus der Luft aufgenommen

  -> Durch “respiratorische Epithelien”

  -> Zellen, die Atemwege auskleiden

• Über Diffusion gelangt O2 direkt von Luft -> Zellen (Epithelien) -> Blut

Transport des Sauerstoffs im Körper

• Diffusion allein reicht nicht aus, um O2 schnell im gesamten Körper zu transportieren

Lösung: Transportmedium

• Menschen = Blut, Insekten = Hämolymphe

Respiratorische Pigmente (z. B. Hämoglobin)

• O2-bindende-Proteine steigern O2-Transportkapazität!

• Wichtigstes Pigment beim Menschen

  -> HÄMOGLOBIN

  • Wo? -> befinden sich im Blut

  • binden an O2 innerhalb der Lunge und transportieren ihn durch den Blutkreislauf und geben ihn an Geweben oder Organen ab, die O2 benötigen

• Proteine enthalten Metallionen, die für die Sauerstoffbindung verantwortlich sind

  -> Fe2+, Cu2+

1) Hämoglobin(Fe²⁺)

• Wirbeltiere (Menschen)

  -> Hellrot/Dunkelrot (mit/ohne O2)

2) Hämocyanin (Cu²⁺)

• Schnecken, Muscheln, Spinnen, Krabben

  -> Bläulich/Farblos (mit/ohne O2)

3) Chlorocruorin (Fe²⁺)

• Einige Ringelwürmer

  -> gelbgrün/blassgrün (mit/ohne O2)

-> Durch Bindung von O2…

• Veränderung des Proteins

• Änderung des Oxidationszustands des Ions

-> Bedingt Änderung der Farbe des Pigments!

1) Gelöste extrazelluläre Proteine

• frei in Körperflüssigkeiten gelöst Blutplasma (Wirbeltier) Hämolymphe (wirbellos)

• außerhalb der Zellen

Beispiel:

• Hämocyanin: direkt in der Hämolymphe

• Chlorocruorin: In Körperflüssigkeit einiger Ringelwürmer

2) Kleinere zelluläre Transportproteine

• Vorhanden in spezialisierten Zellen oder direkt in bestimmten Zelltypen

  -> binden und speichern von O2

Beispiel:

• Hämoglobin (in roten Blutkörperchen) -> O2 über Diffusion von Zellmembran zum Hämoblogin

• Myoglobin (in Muskelzellen)

• Bindungseigenschaften von O2 an Hämoglobin (Hb) ändern sich mit dem Sauerstoffpartialdruck (pO₂) des umgebenden Mediums (z. B. der Lunge oder des Gewebes)

• Darstellung in O2- Bindungs-, und Dissoziationskurve (-> O2-Bindungskurve)

=> Kurven existieren gleichzeitig und beschreiben, wie O2 an Hb bindet und von Hb freigesetzt wird, abhängig vom Sauerstoffpartialdruck (pO2)

• (Bis)-Phosphoglycerat (Säugetieren)

• Inosinpentaphosphat (Vögel)

• Kohlendioxid -> bindet selbst an Hb

  => Verringern die Affinität für Sauerstoff

=> Erfolgt über das Blut -> Transportmedium

-> Blut transportiert nicht nur Gase (O₂, CO₂), sondern auch viele andere Substanzen:

• Nährstoffe, Exkretionsprodukte, Hormone

Wege des Stofftransports:

Aus dem Blut -> interstitielle Flüssigkeit -> in Zellen

1) Diffusion

• kleine Moleküle

• diffundieren aus Kapillaren in Kapillarwand und in interstitielle Flüssigkeit

2) Filtration

• Flüssigkeit/kleine Moleküle

• Teil des Plasmas wird aus Kapillaren in interstitiellen Raum gepresst (durch hydrostatischen Druck)

3) Aktiver Transport

• große Proteine/Moleküle

• (energieabhängig)

• über Transportproteine oder Endocytose

=> Richtung des Flüssigkeitsstroms hängt vom Verhältnis zwischen osmotischen und hydrostatischen Druck ab!

hydro > osmo = in Zellen

osmo > hydro = wieder in Kapillaren

Offenes Kreislaufsystem =

offenes Blutgefäßsystem)

• Tiere: meisten Invertebraten (Arthropoden, Mollusken)

• Blutgefäße sind vorhanden, aber nicht vollständig geschlossen

  • Blut vermischt sich mit interstitieller Flüssigkeit (normalerweise zwischen den Zellen) => Hämolymphe (Mischung)

  • Hämolymphe fließt frei durch Körper und umschließt die inneren Organe

    -> ermöglicht Stoffaustausch zwischen Hämolymphe und Organen

Geschlossenes Kreislaufsystem = geschlossenes Blutgefäßsystem

• Tiere: Einige Ringelwürmer, Tintenfische, Wirbeltiere (Vögel, Säuger)

• Blutgefäße sind vorhanden und geschlossen

  • Trennung von Blut und interstitieller Flüssigkeit

  • Stoffaustausch über Kapillarsystem

    -> (Diffusion, Filtration, Transport)

1) Arterien: Gefäße, die vom Herzen wegführen z.B. Aorta

• Elastische u. dicke Wandschicht

• Ermöglichen Dehnung/Kontraktion, wenn Blut mit hohem Druck vom Herz hineingepumpt wird

  -> fungieren als Druckreservoir

  -> Aufrechterhalten des Blutdrucks

2) Kapillaren: Übergangsgebiet zwischen Arterien und Venen

• kleinsten u. dünnsten Blutgefäße

• senken den Blutdruck und die Strömungsgeschwindigkeit

  -> dadurch wird Hauptaustausch von Stoffen ermöglicht

3) Venen: Gefäße,die zum Herzen hinführen z.B. Hohlvene

• dünnere und dehnbare Wände

• Aufnahme von großen Mengen an Blut durch niedrigen Druck

  -> fungieren als Volumenreservoir

  -> Speicherung und Rückführung von Blut

=> “Art Drainagesystem”

• => Lymphsystem übernimmt die Aufgabe:

• Überschüssige Flüssigkeit (aus Stoffaustausch) zu sammeln und in Form von Lymphe durch spezielle Lymphgefäße zurück ins Blut zu leiten

=> umfasst Lungenkreislauf + Körperkreislauf

-> Kreisläufe sind miteinander verbunden und bilden zusammen das gesamte Kreislaufsystem (arbeiten parallel)

Lungenkreislauf: kleiner Kreislauf

=> Gasaustausch in der Lunge

• O2-armes Blut vom rechten Ventrikel -> Lungenarterie -> zur Lunge (Gasaustausch = o2-reiches Blut) -> Lungenvene -> linker Vorhof

  
  

Körperkreislauf: großer Kreislauf

=> Versorgung der Gewebe mit Sauerstoff und Nährstoffen

=> umfasst Lungenkreislauf + Körperkreislauf (miteinander verbunden)

-> zusammen = gesamtes Kreislaufsystem (arbeiten parallel)

Lungenkreislauf: kleiner Kreislauf

=> Gasaustausch in der Lunge

• O2-armes Blut vom rechten Ventrikel -> Lungenarterie -> zur Lunge (Gasaustausch = o2-reiches Blut) -> Lungenvene -> linker Vorhof

Körperkreislauf: großer Kreislauf

=> Versorgung der Gewebe mit Sauerstoff und Nährstoffen

1. geschlossenes System

   • Lungenkreislauf (kleiner Kreislauf): Für den Gasaustausch in der Lunge an Kapillarnetz

   • Körperkreislauf (großer Kreislauf): Für den Transport von Sauerstoff und Nährstoffen zu den Geweben

2. offenes System

   • einheitliches System

     -> Hämolymphe: Transport aller Stoffe (Nährstoffe, Abfallprodukte) und Umströmung der Organe (Stofftransport) auch teilweise für Gasaustausch relevant bei Tieren mit respiratorischen Proteinen in Hämolymphe z.b. Mollusken

   • Gasaustausch: nur bei einigen Tieren!

     -> eigenes Atmungssystem z.B Tracheen (bei Insekten) -> direkter Transport durch Tracheen zu Zellen

1) Unspezifische Abwehr

=> angeborene Immunabwehr

2) Spezifische Abwehr

=> adaptive Immunabwehr

Unspezifische Abwehr (angeborene Immunabwehr):

• Erste Linie des Körpers zur Verteidigung!

  -> wirksam ohne “Erinnerung” an Mikroben

Zelluläre Abwehr:

• Granulocyten (weiße Blutkörperchen) + Makrophagen “fressen/zerstören” Mikroben durch Phagocytose

Humorale Abwehr:

• umfasst alle gelösten Moleküle in Körperflüssigkeiten (Blut/Lymphe) zirkulieren und Krankheitserreger angreifen

  • Lysozym (Enzym)

    -> greift Zellwände von Bakterien an

    (Hilfe bei Zerstörung)

  • Interferone (Proteine)

    -> Vermehrung des Virus einschränken

  • Komplementsystem

    -> Gruppe von Proteinen, bei Aktivierung Erreger direkt zerstören

Spezifische Abwehr (=adaptive Abwehr)

• hochgradig spezifisch und gedächtnisfähig

Steuerung durch zwei Zelltypen:

1) T-Lymphozyten (zelluläre Immunantwort)

• T-Zell-Rezeptoren auf ihrer Oberfläche

T-Helferzellen:

• erkennen Antigene, die von MHc-II-Molekülen präsentiert werden

• setzen Signalstoffe frei

  -> Aktivierung anderer Immunzellen (B-Zellen und cytotoxische T-Zellen)

Cytotoxische T-Zellen:

• erkennen Antigene, die von MHC-I-Molekülen präsentiert werden

  -> zerstören infizierte/veränderte Zellen direkt

2) B-Lymphozyten (humorale Immunantwort)

• Antikörper (B-Zell-Rezeptoren) auf Oberfläche für spez. Antigene auf Oberfläche von Krankheitserregern

• Aktivierung B-Zelle: Aufnahme des Antigens und präsentiert auf eigener Oberfläche durch MHC-II-Molekül, damit T-Helferzelle binden kann und B-Zelle aktiviert

  Aktivierung wandelt sich der B-Lymphozyt in zwei Zelltypen um:

  • Plasmazellen: Produktion von Antikörpern -> Abgabe ins Blut -> Bindung an neue Antigene (lösliche Antikörper)

  • Gedächtniszellen: bleiben im Körper sorgen dafür, dass bei erneuten Infektion mit demselben Erreger schneller reagiert werden kann

Fähigkeit von den Antikörpern die produziert wurden:

• neutralisieren von Viren/Bakterien

  -> verhindern, dass Virus Zelle infiziert

• Erreger für Phagozyten markieren, die den Erreger dann zerstören

• “innerhalb der Zellen”

  -> bedeutet: agieren mit Zellen des Körpers

Entstehung: B- und T-Zellen

-> beide im Knochenmark

Reifung: B-Zellen

-> Knochenmark

Reifung: T-Zellen

-> Im Thymus (lymphatisches Organ)

Immunsystem kann Antigene nach Monaten/Jahren wiedererkennen

-> B- und T-Gedächtniszellen werden bei Primärreaktion mitgebildet

1) Kleine Tiere (Anneliden, Amphibien (Frösche, Kröten etc.)

• Gasaustausch über Hautatmung

  • O2 diffundiert durch Körperoberfläche direkt ins Gewebe + Abgabe von CO2

  • Voraussetzung: dünne Haut

2) Größere Tiere

• Entwicklung respiratorischer Organe (Atmungsorgane) mit Epithelien

  • Epithelien ermöglichen Diffusion von Gasen

drei Haupttypen der Atmungsorgane:

• Kiemen

• Lungen

• Tracheen

Kiemen = Ausstülpungen der Körperwand

=> Atmungsorgan wasserlebender Tiere

• Gegenstromprinzip (Wasser/Blut)

  • H2O (gelöst mit O2) wird über Kiemen aufgenommen und diffundiert ins Blut

  • Blut gibt CO2 an H2O wieder ab

  • durch entgegengesetzte Fließrichtung fließt Blut zu H2O mit dem meisten gelösten O2

Tracheen = Hauteinstülpungen der Cuticula

=> Atmungsorgan landlebender Arthropoden

• Netzwerk aus luftgefüllten Röhren mit Stigmen an der Oberfläche

• Ermöglicht O2-Transport direkt zu den Zellen ohne Kreislaufsystem

sekundär zum Wasserleben zurückgekehrt:

• Tracheenkiemen - Libellenlarven

• Luft über Wasseroberfläche - Stechmückenlarven

  -> spezielle Atemröhren

• Luftblase außerhalb des Körpers mit Tracheen - Wasserkäfer

Lungen = Einstülpungen der Körperwand

=> Ausnahme: Fächerlunge von Cheliceraten

-> evolutiv hervorgegangen aus Kiemen!

=> Landwirbeltieren: Amphibien, Reptilien, Vögeln und Säugetieren

Unterscheidung:

Wechselströmungsatmung: bidirektional Säuger, Reptilien + Amphibien

• Gasaustausch in Alveolen (Lungenbläschen)

• Luft wird ein-, und ausgeatmet in Lunge

  -> Mischung frisch und verbrauchter Luft

  -> Restluft bleibt -> Lungen werden nicht vollständig mit frischer Luft gefüllt

Durchströmungssystem: unidirektional (Vögel)

• Luft strömt in eine Richtung durch Lunge

  -> vollständiger Austausch der Luft möglich

=> Schwimmblase (Gas gefüllter Sack)

-> homolog zur Wirbeltierlunge!

Abtauchen: Antrieb erhöhen

• Mehr Gas wird über Rete mirabile (Wundernetz) in Gasdrüse in Schwimmblase gepumpt

Auftauchen: Antrieb verringern

• Überschüssiges Gas in Schwimmblase wird zurück ins Blut abgegeben (über Oval)

• Herbivor = Fressen pflanzliches Material

• Carnivor = Fressen tierische Organismen

• Omnivor = Fressen pflanzliches Material und tierische Organismen

• Detritivor = Fressen totes, organisches Material (z.B. Pflanzenreste, Kot etc.)

Wasser-, und fettlösliche Vitamine:

• Riboflavin -> Energiestoffwechsel

• Calciferole -> Knochengesundheit + Ca2+-Stoffwechsel

Essentielle Aminosäuren:

• Valin, Leucin -> Proteinbiosynthese

Essentielle Fettsäuren:

• Linolsäure -> Zellmembranaufbau

1) Intrazelluläre Verdauung

Ort: Innerhalb von Zellen

Tiere: Einzeller - Amöben, Pantoffeltier

• Aufnahme der Nahrung durch Phagozytose oder Pinozytose

• Vesikel verschmilzt mit Lysosom (enthält Hydrolasen)

• Hydrolasen zerlegen aufgenommenen Stoffe in Monomere -> diffundieren von Vakuole ins Cytoplasma der Zelle

2) Extrazelluläre Verdauung

Ort: außerhalb von Zellen

Tiere: Säuger, Vögel, Fische etc.

• Mundaufnahme der Nahrung in Verdauungstrakt (Magen, Darm)

• Freisetzung von Hydrolasen im Trakt -> zerlegen Nahrung in Monomere

• Monomere (Glukose, AS etc.) diffundieren über Darmwand ins Blut und werden verteilt

1) Gastrovaskularsystem (Cnidaria und Plathelminthes):

=> Verdauungs- und Verteilungssystem

• Einsackung der Körperwand, die in Körper ragt

• Nur eine Öffnung (Mund + After)

2) Durchgehendes Verdauungssystem (Übrige Metazoen):

=> Verdauungstrakt, der als Rohr vom Mund zum After verläuft (2 Öffnungen)

• Unterteilung des Traktes ermöglicht stufenweise Verdauung der Nahrung

  -> z.b. Mund (Aufnahme), After (Ausscheidung)

Invertebraten:

• Bildung und Wirkung der Enzyme oft an einem Ort, bei gleichem pH-Wert

• Einfachere Verdauungssysteme

Beispiel: (Auf Insekten bezogen)

• Verdauungsenzyme (Amylasen, Proteasen etc.) werden in Verdauungsdrüse im Mitteldarm gebildet

  • weniger verschiedene Enzymarten, die an verschiedenen Orten wirken

Vertebraten:

• Bildung und Wirkungsort räumlich und zeitlich getrennt durch unterschiedlichen pH-Wert

• Komplexere Verdauungssysteme (verschiedene Abschnitte mit spez. Enzymen)

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• Endopeptidasen: Spalten Proteine

  • Pepsin: Produktion + Wirkung im Magen bei saurem pH

  • Trypsin: Produktion (Pankreas) Wirkung (Dünndarm) bei neutralem/alkalischem pH

• Hydrolasen: Abbau von Stärke, Cellulose

  • Amylasen: Bildung + Wirkung -> Speicheldrüse und Pankreas

  • Cellulasen: Enzym, produziert von Mikroorganismen (Bakterien)

• Pepsin, Trypsin und Amylasen -> bei Invertebraten + Vertebraten

• Cellulasen -> In Mikroben von Vertebraten oder Invertebraten

• Mikroorganismen (Bakterien etc.) im Verdauungstrakt von Tieren

  -> Aufnahme pflanzlicher Kost (mit Cellulose)

Beispiel: Wiederkäuer

• Besitzen Bakterien (Ciliaten) im Vormagen

  -> produzieren Cellulase und bauen Cellulose damit ab

• Im Labmagen richtige Verdauungsenzyme

1) Belegzellen

• Produktion Salzsäure (HCl)

  -> für sauren pH-Wert im Magen

  -> essentiell für Aktivierung von Pepsin

2) Hauptzellen

• Produktion Pepsinogen (inaktive Vorstufe) -> im sauren Milieu: Aktivierung zu Pepsin

  -> Pepsin -> spaltet Proteine

3) Nebenzellen

• Produktion von Schleim

  -> Schützende Schicht an der Magenwand

  -> Schutz vor Selbstverdauung

  
  

• Zelluläre Ebene: Speicherung von Energie chemisch in Form v.a. von Fetten und Kohlenhydraten

• Körperebene: Gespeichert in spezialisierten Strukturen (Fettgewebe, Leber etc.)

  -> Keine direkte Nutzung zur Energiegewinnung/Arbeitsleistung

• Voraussetzung: Abbau dieser Makromoleküle in kleinere Spaltmoleküle/Abbauprodukte

Bsp:

Fette -> Abbau in Fettsäuren und Glycerin

Kohlenhydrate (Polysaccharide: Stärke, Glykogen) -> Monosacchariden (z.B. Glukose)

Proteine -> Abbau in Aminosäuren

1) Aerober Stoffwechsel: (O2-abhängig)

=> Energiegewinnung aus Nährstoffen mit O2

Glykolyse:

• Ort: Cytoplasma der Zelle

• Glukose -> 2 Pyruvat, 2 ATP, 2 NADH

• Transport von Pyruvat zu Mitochondrien

Citratzyklus:

• Ort: Mitochondrienmatrix

• Pyruvat -> Acetyl-CoA -> CO₂, 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH₂

• Acetyl-CoA wird in Citratzyklus eingeschleust

Oxidative Phosphorylierung =Atmungskette:

• Ort: Mitochondrien (Innere Membran)

Elektronenfluss:

• NADH und FADH₂ geben ihre Elektronen an Elektronentransportkette (innere Membran) ab

Aufbau Protonengradient:

• Aufbau durch Elektronenfluss

• Transport Protonen aus Matrix -> in Intermembranraum

Rolle des O2:

• Ende der Kette: Aufnahme der Elektronen durch O2

  -> O2 endgültiger Elektronenakzeptor

  -> Elektronen (+ O2) mit Protonen -> H2O

Rückfluss der Protonen:

• Hoher Protonengehalt im Intermembranraum erzeugt Druck

  • Protonen wollen zurück in Matrix

  • Rückfluss nur über ATP-Synthase

  • Energie des Gradienten -> Umwandlung von ADP zu ATP

ENDE: 26-32 Moleküle ATP pro 1x Glukose

2) Anaerober Stoffwechsel: nicht O2-abhängig

=> Energiegewinnung aus Nährstoffen ohne O2

Welche Tiere? - Tiefseebewohner, Darmparasiten -> sauerstoffarme Biotope

Glykolyse:

• siehe Oben = 2 ATP Moleküle

• Reduktion von NAD+ zu NADH

Citratzyklus:

• Pyruvat -> Laktat (Milchsäure)

• Regeneration von NAD+

  -> NAD+ wird benötigt, um Glykolyse erneut zu beginnen

=> O2 = endgültiger Elektronenakzeptor in Elektronentransportkette

• Ohne O2 -> Elektronen würden sich am Ende der Kette “stauen” -> Elektronen könnten nicht weiter fließen und blockieren

• Ohne Elektronenfluss -> Abbau Protonengradient

• Ohne Gradient keine Energiequelle, um Protonen durch ATP-Synthase in Matrix zu bewegen

  
  

Katabolismus:

• Zerlegung großer Moleküle in kleine

  Glukose -> Pyruvat (Glykolyse)

Fette -> Fettsäuren und Glycerin (Fettabbau)

Anabolismus:

• Aufbau kleiner Moleküle in große Moleküle

Aminosäuren -> Proteine (Proteinsynthese)

=> Zustand von Zellen oder Geweben, die normalerweise aerobe Prozesse benutzen, unter bestimmten Bedinungen vorübergehend auf anaerobe Wege umschalten.

z.B. v.a. Muskelzellen bei hoher Belastung (ATP anaerob) -> brauchen schnell ATP-Nachschub bei Belastung und wird durch anaerob gegeben

1) Substratketten-Phosphorylierung

• Ort: Cytoplasma (anaerob)

  • ATP -> Übertragung einer Phosphatgruppe von Substrat auf ADP

    
    

2) Elektronentransport-Phosphorylierung

• Ort: Mitochondrien (aerob)

  • freigesetzte Elektronen werden transportiert

  • Durch Bewegung -> Protonengradient

  • Energie des Gradienten wird genutzt, um ADP zu ATP synthetisieren

1) Entwicklung anaerober Stoffwechsel (ca. 4-3,5 Mrd. Jahre)

• Uratmosphäre hatte kein O2

2) Entwicklung aerober Stoffwechsel (ca. 2 Mrd. Jahre)

• Verursacht durch Photosynthese durch Cynobakterien

• Nutzung O2 als Elektronenakzeptor

  -> Elektronentransport-Phosphorylierung

3) Koexistenz und Spezialisierung

• Anpassung der Organismen an unterschiedliche Umweltbedingungen -> parallele Existenz

1) Kohlenhydrate = Glykogen -> in Muskeln oder Leber

• Kurzfristiger Energiebedarf (körperliche Aktivitäten)

• Schnelle Mobilisation und Bereitstellung von Energie

  • Überschüssige Glukose -> Glykogen

  • Bei Bedarf wieder schnelle Umwandlung zu Glukose

2) Fette = Triglyceride (Fettäuren + Gylcerin) -> in Fettgewebe oder Muskeln

• Langfristiger Energiebedarf (Fasten)

• Hohe Energiedichte (doppelt so viel wie Kohlenhydrate)

• Langsamer verfügbar

=> Anhand des RQ-Werts

• Verhältnis zwischen O₂-Verbrauch und CO₂-Produktion (CO₂) bei Zellatmung

• Wert zwischen 0 bis 1

  -> Höhe zeigt, welche Energiequelle benutzt und verbrannt wird

Kohlenhydrate ~ 1,0: körperliche Belastung

Fette ~ 0,7: Ruhezustände

Proteine ~ 0,8-0,9: Mischverbrennung

=> Gesamtmenge an Energie, die ein Organismus in einem bestimmten Zeitraum (meist pro Tag) verbraucht

Beispiel: Maus vs. Elefant

=> Energieumsatz steigt unproportional zur Körpergröße an

=> Kleinere Tiere-> höherer Energieverbrauch pro Kilogramm Körpergewicht als größere Tiere

->Liegt am Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen

Maus -> größere Oberfläche als Volumen

• Wärmeabgabe über Oberfläche

• Verlieren schneller an Wärme

  -> Daher mehr Energie aufwenden, um Körpertemperatur zu regulieren

Kleine Tiere können in Torpor verfallen!

• Zustand der deutlichen Verringerung der Stoffwechselaktivität, um Energie zu sparen

=> umfasst Lungenkreislauf + Körperkreislauf

-> Kreisläufe sind miteinander verbunden und bilden zusammen das gesamte Kreislaufsystem (arbeiten parallel)

Lungenkreislauf: kleiner Kreislauf

=> Gasaustausch in der Lunge

• O2-armes Blut vom rechten Ventrikel -> Lungenarterie -> zur Lunge (Gasaustausch = o2-reiches Blut) -> Lungenvene -> linker Vorhof

  
  

Körperkreislauf: großer Kreislauf

=> Versorgung der Gewebe mit Sauerstoff und Nährstoffen