1 Grundlagen der Zellphysiologie

Fritz Markwardt

1.1 Der menschliche Organismus als offenes System mit innerem Milieu

Physikochemische Reaktionen und Kompartimentierung Ein wesentliches Merkmal des Lebens sind zielgerichtete physikochemische Prozesse. Diese setzen zeitlich und räumlich verschiedene Verteilungen von Energie und Stoffen voraus. Um diese unterschiedlichen Verteilungen zu gewährleisten, werden im Organismus sogenannte Kompartimente geschaffen, zwischen denen der Stoffaustausch eingeschränkt wird, d. h. Stoffflüsse nur in bestimmte Richtungen und im festgelegten Umfang stattfinden. Diese Kompartimente sind durch Membranen voneinander abgegrenzt. So bestehen Organismen aus Zellen, die durch ihre Zellmembran (Plasmamembran) nach außen begrenzt werden. Innerhalb der Zellen werden mittels Membranen weitere subzelluläre Kompartimente (Organellen) abgegrenzt.

Unterschiedliche Stoffkonzentrationen können räumlich und zeitlich begrenzt auch dadurch auftreten, dass physikochemische Reaktionen durch Aktivierung von Katalysatoren (Enzyme oder Ionenkanäle) Stoffe deutlich schneller erzeugen, abbauen oder transportieren als sie durch Diffusion innerhalb des Kompartiments verteilt werden.

Homöostase durch Stoffaustausch Die zielgerichteten physikochemischen Reaktionen laufen fern vom chemischen Gleichgewicht ab. Dadurch können sich prinzipiell die Konzentrationen der Ausgangsstoffe und Endprodukte verändern, was wiederum die Reaktionsgeschwindigkeiten bis zum Erliegen der Reaktion herabsetzen kann. Da dies die Zellfunktion beeinträchtigen würde, müssen die Zellen für eine weitgehende Konstanz der meisten ihrer Inhaltsstoffe sorgen. Einzeller im Urmeer konnten das, indem sie aus dem schier unerschöpflichen Reservoir des sie umgebenden Mediums Stoffe aufnahmen und ihre Stoffwechselendprodukte nach außen abgaben, wo diese schnell verdünnt wurden. Das heißt, dass die Zellen Teil eines offenen Systems waren, in dem physikochemische Reaktionen im Fließgleichgewicht möglich waren. Durch ständige Aufnahme der Ausgangsstoffe und Abgabe der Endprodukte entstanden also Fließgleichgewichte, bei denen die Konzentrationen der reagierenden Stoffe weitgehend konstant blieben. Dadurch, dass das Volumen des Urmeers viel größer als das Zellvolumen war, veränderten sich im Urmeer die Stoffkonzentrationen praktisch nicht.

Durch die Entwicklung von vielzelligen Organismen wie den Menschen, die das Festland besiedelten, veränderte sich diese Situation völlig. Die Körperzellen sind nach wie vor von einer dem Urmeer vergleichbaren Flüssigkeit, der interstitiellen Flüssigkeit, umgeben, mit welcher nun der Stoffaustausch erfolgt. Weil das Volumen der interstitiellen Flüssigkeit (Interstitium) deutlich kleiner als das der Zellen ist, besteht ständig die Gefahr, dass durch Aufnahme von Stoffen in die Zellen oder Abgabe von Stoffen in die interstitielle Flüssigkeit deren Zusammensetzung so verändert wird, dass die Körperzellen nicht mehr richtig funktionieren. Um dies zu verhindern, sind die Organismen bestrebt, durch Stoffaustausch mit der Umgebung die Eigenschaften der interstitiellen Flüssigkeit, das innere Milieu, konstant zu halten. Somit werden den Körperzellen (wie früher im Urmeer als äußerem Milieu) konstante Betriebsbedingungen geboten. Die interstitielle Flüssigkeit ersetzt also das Urmeer.

Die Konstanz des inneren Milieus (Homöostase) wird durch den Stoffaustausch des Interstitiums mit der Umgebung aufrechterhalten (▶ Abb. 1.1). Die Stoffaufnahme erfolgt im Wesentlichen durch den Verdauungstrakt sowie durch die Lunge (Sauerstoff, O2). Zur Abgabe von Stoffen sind die Lunge (Kohlenstoffdioxid, CO2), die Niere (wasserlösliche Stoffe), der Verdauungstrakt (wasser- und fettlösliche Stoffe) und die Haut (Wasser und Salze) befähigt. Den Transport der Stoffe von und zu diesen Organen übernimmt das Blut. Mit dem Blutplasma in den Blutgefäßen steht das Interstitium im Bereich der Blutkapillaren in engem Austausch. Dadurch ähneln sich die Zusammensetzung des Blutes und des Interstitiums (bis auf die Eiweiße) sehr stark. Blutplasma und Interstitium werden zusammen als Extrazellulärraum bezeichnet.

Wärmeaustausch Außer dem Stoffaustausch erfolgt noch ein Austausch von Wärme zwischen den Körperzellen und dem Extrazellulärraum sowie zwischen Extrazellulärraum und Umgebung. Beim Abbau der organischen Substrate (z. B. Glucose, Eiweiße, Fette, ATP) wird nämlich nicht die gesamte freiwerdende chemische Energie auf synthetisierte neue Substrate übertragen. Vielmehr wird immer ein Teil der in den Ausgangsstoffen gespeicherten chemischen Energie in Form von Wärme frei. Diese Energie muss ständig an den Extrazellulärraum abgegeben werden, um die Temperatur der Körperzellen (besonders im Gehirn und Körperstamm) konstant zu halten. Dies ist notwendig, weil die Enzyme, welche die Zellfunktion steuern, ein Temperaturoptimum besitzen, das beim Menschen etwa bei 37 °C liegt. Vom Extrazellulärraum wird die Wärme dann überwiegend über die äußere Haut an die Umgebung abgegeben.

Informationsaustausch Der menschliche Organismus besteht aus Organen, die aus Geweben aufgebaut sind, welche wiederum aus spezifischen Zellen (und dem Interstitium) bestehen. Damit die Zellen dem Gesamtorganismus dienen können, muss ein Informationsaustausch zwischen ihnen erfolgen. Hierfür existiert ein hochkomplexes Netzwerk aus Botenstoffen und Rezeptoren, welche aneinander binden und damit Funktionsänderungen hervorrufen. Auch Änderungen der elektrischen Spannung über der Zellmembran (Membranpotenzial) können als Information benutzt und insbesondere von erregbaren Zellen (Nerven- und Muskelzellen) schnell weitergeleitet werden.

1.2 Regelung

1.2.1 Prinzip des Regelkreises

Das Prinzip der Regelung gilt natürlich nicht nur für den Zustand des Interstitiums. Vielmehr existiert eine Vielzahl von Regelgrößen, von der intrazellulären ATP-Konzentration über die Gelenkstellung bis hin zum Körpergewicht. Die prinzipielle Funktion eines Regelkreises ist in ▶ Abb. 1.2 am Beispiel der kurzfristigen Regulation des mittleren arteriellen Blutdruckes über Verstellung der Herzschlagfrequenz dargestellt (s. auch ▶ Abb. 1.3a).