Homöostatische Kontrolle und Zelluläre Kommunikation

Homöostatische Kontrolle und Zelluläre Kommunikation

Temperatur und Homostatische Kontrolle Dr. D. Wegener, Tierphysiologie SoSe 2007, ISTAB OBERTHEMEN der Physiologie ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 1. Struktur- und Funktionsbeziehungen 2. Evolution Physiologische Spezialisierungen als Folge natrlicher Selektion 3. Homostase Aufrechterhaltung kritischer physiologischer Parameter innerhalb bestimmter Grenzwerte Temperatur ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Temperatur-Bereich aquatischer und terrestrischer Tiere: Von ~0C bis ~50C Vertreter in extremen Temperaturbereichen: Eier von Triops Trematomus pennellii Larve von Polypedium Temperatur ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ --- Krpertemperatur Vgel und Sugetiere --- Krpertemperatur der meisten anderen Metazoen Temperatur ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

WstenEidechse Terminologie: warmbltig / kaltbltig ? homeotherm / poikilotherm / heterotherm ? Eichktzchen Lophius americanus endotherm / ektotherm ? Braunbr Thunfisch Temperatur ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Japanische Honigbiene, Apis cerana japonica Temperatur ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Trematomus pennellii Temperatur ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Mgliche Ursachen von Hitzetod: - Denaturierung von Proteinen, temperaturinduzierte Koagulation Thermale Inaktivierung von Enzymen Unzureichende Sauerstoffversorgung Temperatureffekte auf Membranstruktur Unterschiedliche Temperatureffekte (Q10) auf unabhngige

Stoffwechselprozesse Temperatur ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Die Krpertemperatur ist der wichtigste einflussnehmende Faktor auf die Stoffwechselrate eines Organismus Vant Hoff - Gleichung Temperatur ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Mgliche Ursachen von Hitzetod: - Denaturierung von Proteinen, temperaturinduzierte Koagulation Thermale Inaktivierung von Enzymen Unzureichende Sauerstoffversorgung Temperatureffekte auf Membranstruktur

Unterschiedliche Temperatureffekte (Q10) auf unabhngige Stoffwechselprozesse Trematomus pennellii Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ gr. homs: gleich, derselbe gr. he stsis: der Stand, das Stehen Unter homostatischen Prozessen versteht man die physiologischen Kontrollmechanismen, mit deren Hilfe das innere Millieu des Organismus gegenber Strungen aus der Umwelt stabilisiert wird. Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Raumtemperatur 20C Krpertemperatur 37C Wrmeverlust an Umgebung STEADY STATE Aktivierung von Stoffwechselfunktionen zur Aufrechterhaltung der Krpertemperatur 1. Generelles Prinzip homostatischer Kontrolle: Stabilitt (Steady State) wird durch dynamisches Ausbalancieren von Input und Output des Systems erreicht.

Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Raumtemperatur 5C Starker Wrmeverlust an Krpertemperatur Umgebung 37C 36.5C (Neuer Sollwert) Wrmeproduktion Verringerung der Durchblutung der Hautgefe Verringerung der Oberflche

Muskelkontraktionen Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Negative Rckkopplung: Strung Ausgangssignal - System Sensor Fehlersignal invertierender Verstrker Sollwerteinstellung

Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Positive Rckkopplung: Strung Ausgangssignal + System Sensor Eingangssignal Verstrker Homostatische Kontrolle

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Raumtemperatur 5C Krpertemperatur 37C 36.5C starker Wrmeverlust an Umgebung Wrmeproduktion Verringerung der Durchblutung der Hautgefe Verringerung der Oberflche

Muskelkontraktionen Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Steuerung der homostatischen Prozesse: Grohirnrinde (Cortex) Occipitallappen Kleinhirn (Cerebellum) Parietallappen Frontallappen Hypothalamus Thalamus Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Steuerung der homostatischen Prozesse: Hypothalamus Steuerung und Kontrolle der Hypohyse Beeinflussung des Autonomen Nervensystems - Krpertemperatur - Cardiovaskulres System - Nahrungs- und Wasseraufnahme Hypothalamus Integraler Bestandteil des Limbischen Systems Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Raumtemperatur 5C Krpertemperatur 37C

Hypothalamus starker Wrmeverlust an Umgebung hhere Aktivitt temperatursensitiver Zellen infolge abnehmender Krpertemperatur hhere Aktivitt verschiedener Zellgruppen des Hypothalamus Stimulation von Skelettmuskulatur und glatter Muskulatur in den Blutgefssen Kontraktion der Hautgefsse

Zittern Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Raumtemperatur 5C Krpertemperatur 37C Hypothalamus starker Wrmeverlust an Umgebung hhere Aktivitt temperatursensitiver Zellen infolge abnehmender Krpertemperatur hhere Aktivitt

verschiedener Zellgruppen des Hypothalamus Stimulation von Skelettmuskulatur und glatter Muskulatur in den Blutgefssen Kontraktion der Hautgefsse Zittern Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Fehlersignal Raumtemperatur 5C Krpertemperatur

37C 36,5C Hypothalamus starker Wrmeverlust an Umgebung hhere Aktivitt temperatursensitiver Zellen infolge abnehmender Krpertemperatur hhere Aktivitt verschiedener Zellgruppen des Hypothalamus Stimulation von Skelettmuskulatur und glatter Muskulatur in den Blutgefssen Kontraktion der

Hautgefsse Zittern Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Fehlersignal Raumtemperatur 5C Krpertemperatur 37C 36,5C 2. Generelles Prinzip homostatischer Kontrolle: Stabilitt hngt nicht primr von der absoluten Gre der gegeneinander wirkenden Prozesse (Input und Output) ab, sondern von deren dynamischer Balance.

starker Wrmeverlust an Umgebung hhere Aktivitt temperatursensitiver Zellen infolge abnehmender Krpertemperatur hhere Aktivitt verschiedener Zellgruppen des Hypothalamus Stimulation von Skelettmuskulatur und glatter Muskulatur in den Blutgefssen Kontraktion der Hautgefsse Zittern

Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Fehlersignal Raumtemperatur 5C Krpertemperatur 37C 36,5C 3. Generelles Prinzip homostatischer Kontrolle: Homostatische Kontrollsysteme stellen keine vollstndige Konstanz des internen Millieus gegenber externen Strungen sicher, sondern sorgen fr eine Minimierung der Strung. starker Wrmeverlust an

Umgebung hhere Aktivitt temperatursensitiver Zellen infolge abnehmender Krpertemperatur hhere Aktivitt verschiedener Zellgruppen des Hypothalamus Stimulation von Skelettmuskulatur und glatter Muskulatur in den Blutgefssen Kontraktion der Hautgefsse Zittern Homostatische Kontrolle

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Gre des Fehlersignals ist abhngig von: der absoluten Gre der Strung der Sensitivitt der Detektoren der Effizienz der Verbindungen zwischen den beteiligten Systemkomponenten der Reaktionsstrke des Kontrollapparates 4. Generelles Prinzip homostatischer Kontrolle: Eine im Rahmen der Aufrechterhaltung der Krperfunktionen zu regulierende Variable

verfgt ber keinen absoluten Normalwert, sondern ber einen mehr oder weniger engen Bereich normaler Werte, abhngig von den jeweiligen ueren Umstnden. Je prziser die homostatische Kontrolle, umso enger ist der Normalbereich. Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Eine Neueinstellung des Sollwertes einer bestimmten Funktionsvariablen kann auch durch physiologische Prozesse durch externe Strungen anderer Variablen verursacht werden. Fieber Oder in Antwort auf interne, physiologische Prozesse: Tag-Nacht Rhythmus Menstruationszyklus etc.

5. Generelles Prinzip homostatischer Kontrolle: Da die verschiedenen Variablen der internen Umgebung in komplexester Weise interagieren und oft direkt voneinander abhngig sind, kann es fr die Konstanthaltung einer bestimmten Variable erforderlich sein, andere von ihrem ursprnglichen Sollwert zu entfernen. Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Weitere Charakteristika homostastischer Prozesse : Feedforward Regulation Aktivierung von Kontrollprozessen bevor eine Strung des Systems zu einer nderung eines Parameters fhren kann (Bsp. Temperatur). Rhythmische Prozesse

Zeitabhngige nderung von Sollwert-Einstellungen in vorweggenommener Anpassung an Strungen, die auf das System einwirken knnen (Bsp. Niere). Adaptation Reversible und irreversible Anpassung homostatischer Kontrollprozesse an uere Strungen (Bsp. Temperatur, Bsp. Sauerstoffmangel). Alter Eingeschrnkte Funktion homostatischer Kontrolle (Bsp. Alzheimersche Erkrankung). Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Klassen von Kontrollsystemen:

Reflexe Lokale homostatische Antworten Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Reflexe Ein Reflex ist eine unbedingte Stimulus-Antwort-Beziehung. Die meisten Reflexe laufen ab, ohne dass man sich ihnen bewut wird. Im engsten Sinn ist ein Reflex ein Vorgang, der willentlich nicht beeinflussbar, unvorbereitet, ungelernt, stereotyp

ist und eine Art built-in process des Organismus darstellt. Die meisten homostatischen Kontrollmechanismen stellen einen Reflex dar, d.h. eine automatische Antwort des Organismus auf bestimmte uere Ereignisse (Stimuli). Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Fehlersignal Integratives Zentrum Afferente Verarbeitung Raumtemperatur 5C Krpertemperatur

37C 36,5C Hypothalamus Stimulus starker Wrmeverlust an Umgebung hhere Aktivitt temperatursensitiver Zellen infolge abnehmender Krpertemperatur hhere Aktivitt verschiedener Zellgruppen des Hypothalamus Effektor Stimulation von

Skelettmuskulatur und glatter Muskulatur in den Blutgefssen Feedback Kontraktion der Hautgefsse Rezeptor Efferente Verarbeitung Zittern Antwort Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Lokale homostatische Antworten

L.h.A. werden durch nderungen in der inneren oder ueren Umgebung verursacht. Sie induzieren eine nderung der Zellaktivitt mit einem dem Stimulus entgegenwirkenden Effekt. Wie ein Reflex stellt eine lokale homostatische Antwort eine Sequenz von Ereignissen als Folge eines Stimulus dar. Ungleich eines Reflexes findet die gesamte Antwortsequenz nur in der unmittelbaren Umgebung des Stimulus statt. Homostatische Kontrolle ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Beispiel: Stimulus Hautverletzung (Blutung) Freisetzung bestimmter chemischer Substanzen

durch benachbarte Zellen zur Initiierung lokaler Immunantworten Antwort Feedback Prvention weiterer Gewebeschdigun g Freisetzung bestimmter chemischer Substanzen durch bestimmte Muskelzellen zur Erweiterung der Blutgefsse Lokale homostatische Antworten stellen fr eng umgrenzte Bereiche des Krpers Mechanismen zur lokalen Selbst-Regulation dar. Zellkommunikation ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Lokale Zellkommunikation Zusammenfassung ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 1. Unter dem Begriff Homostase werden solche Prozesse verstanden, die zur Stabilisierung des internen Milieus eines Organismus beitragen 2. Die Stabilitt einer Variable des internen Millieus wird durch das Ausbalancieren von Input und Output erreicht. Entscheidend sind nicht die absoluten Amplituden von Input und Output, sondern deren Balance. 3. In Systemen mit negativer Rckkopplung verursacht eine externe nderung der Variable physiologische Antworten, die der nderung entgegenwirken, d.h. sie in Richtung ihres ursprnglichen Wertes ndern. 4. Homostatische Kontrollsysteme gewhrleisten nicht die absolute Konstanz irgendeiner Variable des internen Millieus. Jede regulierte Variable hat einen mehr oder weniger engen Normalbereich. Dieser ist von verschiedenen Faktoren abhngig. Zusammenfassung

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 5. Der Sollwert einiger Variablen kann durch das homostatische Kontrollsystem modifiziert werden, d.h. physiologisch erhht oder erniedrigt werden. 6. Nicht alle Variablen des internen Millieus knnen gleichermassen innerhalb ihres Normalbereiches gehalten werden, da kompensatorische Regulationsprozesse fr eine bestimmte Variable nderungen einer anderen Variable nach sich ziehen knnen. Die Stabilisierung einiger Variablen ist dabei von hherer Bedeutung als diejenige untergeordneter Parameter. 7. Komponenten homostatischer Kontrolle sind Reflexe und lokale homostatische Mechanismen.

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