Zytologie, Histologie, allgemeine Pathologie

Anatomie – Physiologie – Pathologie

Band 1

2. Auflage

Zytologie und Histologie – die Lehre von Zellen und Geweben

Allgemeine Pathologie – die Lehre der Krankheiten

Dr. med. André Lauber

Copyright© 2017 André Lauber / :Crash Course in Brain Surgery:

app.buch@yahoo.de

www.medizin-verstehen.ch

Alle Rechte vorbehalten

ISBN-10: 3952462136

ISBN-13: 978-3952462133

Inhaltsverzeichnis

Title Page

Vorwort

Eine kurze «Gebrauchsanweisung»

Vorwort zur 2. Auflage

Überlegen Sie! – Zytologie

Zytologie und Histologie – Lehre von Zellen und Geweben

Die Zelle – kleinste Funktionseinheit des Organismus

Der Grundbauplan der Zellen

Das Plasmalemm – Schutz und Stoffaustausch

Das Zytoplasma – Organellen in wässrigem Milieu

Das Zytoskelett – stabilisiert und formt die Zelle

Die Zellorganellen

Die Mitochondrien – Kraftwerke der Zellen

Die Ribosomen – Eiweissfabrik der Zelle

Das endoplasmatische Retikulum (ER) – Lagern und Bearbeiten von Proteinen

Der Golgi-Apparat – Postversand der Zelle

Die Lysosomen – Müllabfuhr der Zelle

Der Nukleus – Hüter des Erbguts

Das Erbgut – Bauplan des Organismus

Die DNA – Buch des Lebens

Die RNA

Die Proteinsynthese – Aminosäurebaukasten

Die Chromosomen – kondensiertes Erbgut

Die Vererbung – Warum sehe ich Mutti so ähnlich?

Die drei Vererbungsregeln von Mendel

1. Mendelsche Regel – Uniformität

2. Mendelsche Regel – Spaltung

3. Mendelsche Regel – Unabhängigkeit

Nicht jedes Merkmal «mendelt»

Zellphysiologie

Zellen bewegen sich – und das ziemlich oft

Stoffaustausch – ein stetiges hin und her

Passiver Stofftransport – ohne Energie

Aktiver Stofftransport – mit Energie

Zellen erzeugen Strom

Wie ein Gedanke ins Bein kommt

Das Ruhepotenzial – die Zelle tut nichts

Das Aktionspotenzial – die Zelle macht Action

Nach der Action kehrt Ruhe ein

Der Strom fliesst nur in eine Richtung

Allzeit bereit – die Natrium-Kalium-Pumpe

Der Zellzyklus – Leben entsteht aus Leben

Interphase – Normalbetrieb der Zelle

Zellteilung – Mitose oder Meiose

Mitose – doppelter Chromosomensatz

Meiose – einfacher Chromosomensatz

Apoptose – programmierter Zelltod

Überlegen Sie! – Histologie

Das Gewebe – Teamwork der Zellen

Vier Hauptgewebe – Baumaterial der Organe

Epithelgewebe – nahezu unbegrenzte Fähigkeiten

Oberflächenepithel – Auskleidung und Begrenzung

Drüsenepithel – wo die Säfte stetig fliessen

Binde- und Stützgewebe – von locker bis knochenhart

Bindegewebe – hält alles zusammen

Stützgewebe – Grundgerüst des Bewegungsapparates

Skelettmuskulatur – bewegt das Skelett

Glatte Muskulatur – läuft von selbst, wird nie müde

Herzmuskulatur – das Arbeitstier unter den Muskeln

Wie ein Muskel funktioniert

Nervengewebe – Steuerung des ganzen Körpers

Die Nervenzelle als Stromleitung

Überlegen Sie! – allgemeine Pathologie

Allgemeine Pathologie – Lehre der Krankheiten

Die allgemeine Pathologie

Gesundheit, Krankheit und Tod

Krankheit aus pathologischer Sicht

Der Tod in der Pathologie

Am Anfang steht der Zellschaden

Die Entzündung – Reaktion auf einen Schaden

Eine Entzündung zeigt typische Symptome

Die Phasen der Entzündung

Nekrose – es gibt kein Zurück

Verschiedene Einteilungen der Entzündung

Störungen des Kreislaufs

Thrombose und Embolus – Geronnenes Blut fliesst nicht

Ödeme – Flüssigkeit zwischen den Zellen

Schock – lebensbedrohende Kreislaufstörung

Krebs – Die perfekte Version von uns selbst?

Krebszellen zeigen ein asoziales Verhalten

Nicht so böse – halb böse – ganz böse

Grading und Staging von Tumoren

Krebszellen mit Bewegungsdrang

Angeborene Missbildungen

MEMO – Auf einen Blick

Index

Abbildungsverzeichnis

 Vorwort

«Eine Wissenschaft, die nicht so einfach ist, dass man sie auf der Strasse jedem erklären könnte, ist nicht wahr.» (Max Planck)

Wenn Sie die folgenden Aussagen bejahen, kaufen Sie das Buch NICHT:

 Mein Körper interessiert mich nicht.

 Das Studium der Anatomie, Physiologie und Pathologie ist nicht so mein Ding.

 Ich lerne am besten mit trostlosen, unverständlichen Handouts, die ich in den Vorlesungen bekomme.

 

 Ich kann schon alles.

 Lesen ist etwas für meine Oma.

Treffen die Aussagen nicht auf Sie zu? Dann lesen Sie weiter!

Alle Bücher und E-Books aus der Reihe «Anatomie – Physiologie – Pathologie» (APP) sind für Menschen geschrieben, die sich für einen paramedizinischen Beruf entschieden haben. Dazu gehören Pflegeberufe, Praxisassistenz, Medizinisch-Technische Radiologie (MTR), Biomedizinische Analytik (BMA), Rettungssanität, Podologie, Physiotherapie und und und…

Die Bücher sind verständlich geschrieben und decken die «Basics» der jeweiligen Themen ab. Somit sind sie ideal zum Lernen vor Prüfungen und als Ergänzung zum Unterrichtsmaterial.

Auch für naturwissenschaftlich interessierte Leserinnen und Leser hält die Buchreihe APP einige Aha-Erlebnisse bereit. Wer ist schliesslich nicht interessiert, wie sein Körper funktioniert?

Eine kurze «Gebrauchsanweisung»

Die Bücher der Reihe «Anatomie – Physiologie – Pathologie» (APP) sind eine ideale Ergänzung zur paramedizinischen Ausbildung. Die Texte sind kurz und klar geschrieben: Es gibt keine Abschweifungen und keine irrelevanten Themen.

Der kompakte Inhalt eignet sich zur Vorbereitung von Vorlesungen sowie als Lernhilfe vor einer Prüfung. Um sich schnell zu orientieren, sind die meisten Überschriften als Aussagen formuliert. Man erkennt sofort den Kern des Themas. Fachbegriffe sind bei der ersten Nennung fett gedruckt – die Erklärung/Übersetzung steht in Klammern dahinter.

MEMO Hier stehen wichtige und «merkwürdige» Fakten. Alle «MEMO» finden Sie gebündelt nochmal am Schluss des Buches.

Exkurs Hier sind Begriffe aus dem Text erklärt und ist «Anekdotisches» parkiert. Einen Exkurs müssen Sie nicht lesen, wenn Ihnen der Begriff vertraut ist.

Die Abbildungen (ausser diejenigen vom Autor) stammen aus dem Internet und sind als «gemeinfrei» (Creative Commons: www.creativecommons.ch) deklariert.

Wenn Sie Wünsche haben oder einen Fehler entdecken, dann schreiben Sie dem Autor eine Mail: app.buch@yahoo.de.

(Damit der Text flüssig zu lesen ist, verzichtet er auf männliche/weibliche Doppelnennung. Das andere Geschlecht ist – wo passend – selbstverständlich auch gemeint.)

 Vorwort zur 2. Auflage

Die 2. Auflage des 1. Bandes der Buchreihe «Anatomie – Physiologie – Pathologie» bietet einige neue Inhalte:

 Der Inhalt vieler Kapitel wurde erweitert und korrigiert.

 Zu Beginn der Hauptkapitel finden Sie Fragen zum Text («Überlegen Sie!»). Beantworten Sie die Fragen vor der Lektüre des Kapitels. Sie werden danach den Text fokussierter lesen und mehr Informationen aufnehmen. Haben Sie das Kapitel beendet, schauen Sie sich nochmal Ihre Antworten an und vergleichen sie mit den neu erworbenen Kenntnissen. Dieses Vorgehen führt zu einem besseren Verständnis des Inhalts.

 Alle MEMO-Texte finden Sie am Ende des Buches nochmal aufgelistet. Sie können so die wichtigsten Fakten schnell repetieren.

In der APP-Reihe sind bisher erschienen:

 Band 1: Zytologie, Histologie und allgemeine Pathologie

 Band 2: Herz-Kreislauf-System

Im Frühling 2018 erscheint Band 3: Der Respirationstrakt

 Überlegen Sie! – Zytologie

 Was würde passieren, wenn die Muskelzellen keine Mitochondrien mehr hätten?

 Warum braucht jede Körperzelle eine Hülle?

 Woher stammt das Erbgut in den Mitochondrien?

 Das Erbgut (DNA) besteht aus einfachen Bausteinen: Zucker, Phosphorsäure und vier verschiedene Basen.Wie ist es möglich, dass damit der gesamte Bauplan eines Menschen gespeichert werden kann?

 Aus welchem Grund können Eltern, die beide Blutgruppe 0 (Null) haben, nur Kinder mit Blutgruppe 0 bekommen?

 Wo genau findet man im Erbgut den Unterschied zwischen männlich und weiblich?

 Warum verteilt sich Zucker völlig gleichmässig in einem Glas Wasser?

 Welche Erklärung haben Sie für die Tatsache, dass ein Gedanke im Gehirn zu einer Muskelbewegung im Bein führen kann?

 Weshalb ist es wichtig, dass Ei- und Samenzellen nur halb so viel Erbgut in sich tragen wie die anderen Zellen des Körpers?

 Zytologie und Histologie – Lehre von Zellen und Geweben

Vor über drei Milliarden Jahren begann das Leben auf der Erde in Form einzelner Zellen. Zwei entscheidende Teile einer Zelle waren damals bereits vorhanden: die Zellhülle sowie das Erbgut darin. Aus diesen simplen Zellen – die heute noch existieren – entwickelten sich im Verlauf der Zeit sämtliche «modernen» ein- und mehrzelligen Lebewesen. Die Fusion von Zellen liess Gewebe entstehen, in dem die Zellen zum Wohl eines komplexen Organismus zusammenarbeiten.

Der Körper eines Erwachsenen besteht aus etwa 1013 Körperzellen sowie circa 3013 Blutzellen, die alle ihre speziellen Aufgaben erfüllen.

 Die Zelle – kleinste Funktionseinheit des Organismus

MEMO Zytologie Die Zytologie ist die Lehre der Körperzellen.

Die Zelle ist die kleinste lebende Bau- und Funktionseinheit. Jedes Lebewesen besteht entweder aus einer einzigen Zelle (Einzeller) oder aus vielen Zellen (Vielzeller).

Zellen besitzen Fähigkeiten, die das Leben eines Organismus erst ermöglichen.

 PhagozytoseZellen des Immunsystems phagozytieren (fressen) Fremdkörper, Zelltrümmer sowie Krankheitserreger.

 BeweglichkeitSpezialisierte Zellen haben die Fähigkeit, sich im Körper fortzubewegen und an strategisch wichtige Orte zu gelangen. Bewegliche Abwehrzellen spielen beispielsweise bei der Entzündung eine tragende Rolle.

 Metabolismus (Stoffwechsel)Metabolismus beschreibt alle Vorgänge, welche Aufnahme und Einbau sowie Abbau und Ausscheidung der Nahrungsstoffe im Organismus betreffen. Die Stoffwechselvorgänge unterteilt man in:Anabolismus (Aufbaustoffwechsel): Aus einfachen Bausteinen produzieren die Zellen komplexe Substanzen.Katabolismus (Abbaustoffwechsel): Stoffabbau zur Energiegewinnung.

 Sekretion (Absonderung)Manche Zellen besitzen die Fähigkeit Sekrete (Verdauungssaft, Hormone) abzusondern, die im Organismus verschiedene Aufgaben erfüllen.

 VermehrungZellen vermehren sich durch Zellteilung. Das ermöglicht Wachstum und Regeneration. Zellteilung ersetzt abgestorbene Zellen, regeneriert Gewebe und produziert Nachkommen: «Menschsein» beginnt mit einer einzigen Zelle – der Eizelle. Die Zellteilung wird in Mitose und Meiose unterteilt. (Siehe Kapitel «Der Zellzyklus – Leben entsteht aus Leben»)

Exkurs Teilungsfähigkeit Nicht alle Körperzellen haben die Fähigkeit, sich zu teilen: Muskel- und vor allem Nervenzellen sind kaum teilungsfähig. Bei einem Schaden (Herzinfarkt, Hirnschlag) ersetzt der Körper die fehlenden Zellen durch «billiges» Bindegewebe (Narbenbildung).

 ReizbarkeitUm zu überleben, muss der Mensch fähig sein, auf die Umwelt zu reagieren. Dazu gehören Reizaufnahme, Reizleitung, die Verarbeitung der Reize sowie die Reaktion darauf. Sinneszellen (Augen, Ohren etc.), Nerven und Muskeln sind dafür die Spezialisten.

 KommunikationUm gemeinsam Aufgaben zu bewältigen, kommunizieren Zellen und Körperregionen miteinander. Als Kommunikationsmittel stehen dem Organismus das Nervensystem, die Hormone und andere chemische Stoffe zur Verfügung.

Die Zellen des Körpers spezialisieren sich im Verlauf der embryonalen Entwicklung auf ihre Aufgaben. Das nennt man Differenzierung. Aus einer Stammzelle entstehen auf die Weise viele spezialisierte Zellen. Verbände solch gleichartiger Zellen schliessen sich zu Geweben zusammen. (Siehe Kapitel «Das Gewebe – Teamwork der Zellen»)

Form und Grösse der Zellen sind ihrer Funktion angepasst («Form follows Function»). Rote Blutkörperchen sind zum Beispiel ziemlich flach und ohne Zellkern unterwegs, damit sie durch winzige Blutgefässe passen; Nervenzellen besitzen lange Ausläufer, um Signale von A nach B zu leiten.

 Der Grundbauplan der Zellen

Durchschnittlich hat eine Körperzelle einen Durchmesser von 20–30 μm. Die Spanne reicht allerdings von 7 μm (rote Blutkörperchen) bis zu 200 μm (Eizellen).

Exkurs von klein zu gross 1 Meter (m) entspricht 1’000’000’000 Nanometer (nm), 1’000’000 Mikrometer (μm), 1’000 Millimeter (mm) oder 100 Zentimeter (cm). (Entspräche die Distanz von der Erde zur Sonne 1 m, so wäre die Cheopspyramide in Ägypten in diesem Massstab 1 nm hoch.)

Abb. 1 Körperzelle mit ihren Organellen [Roland Sommer]

Trotz Unterschiede in Form und Grösse findet man in jeder Körperzelle dieselben Bestandteile (Abb. 1).

 Plasmalemm (Zellmembran)

 Zytoplasma (Zellflüssigkeit)

 Zellorganellen (Zellkörperchen)

 Nukleus (Zellkern) (ausser in den roten Blutkörperchen)

Das Plasmalemm ist eine Doppelhülle aus Phospholipiden, die den Zellinhalt umschliesst und die Zelle nach aussenabdichtet. Im gelartigen Zytoplasma schwimmen die Zellorganellen. Sie sind Spezialisten und sorgen für den reibungslosen Ablauf des Zellstoffwechsels (Energie- und Eiweissherstellung, Zellteilung etc.). Der Nukleus steuert den Stoffwechsel und fungiert als Hüter des Erbguts.

Das Plasmalemm – Schutz und Stoffaustausch

Jede Körperzelle ist von einer Membran umschlossen, die den Stoffaustausch zwischen innen und aussen reguliert (Abb. 2). Der grösste Teil des Plasmalemms setzt sich zusammen aus einer Kombination von Lipiden (Fett) und Phosphaten. Diese Phospholipide sind in einer Doppelschicht angeordnet und bilden das Plasmalemm. Dabei richten sich die Fettmoleküle nach innen und die Phosphatmoleküle nach aussen. Nebst den Phospholipiden findet man im Plasmalemm von menschlichen Zellen Cholesterin und Glykolipide (Zucker-Fett-Verbindungen).

Abb. 2 Plasmalemm mit Membranproteinen und Glykokalyx [M. Ruiz Villarreal; bearbeitet von Dr. med. André Lauber]

Da Fett hydrophob (wasserabweisend) ist, bleibt der Innenteil der Doppelschicht wasserdicht. Der Phosphatteil ist hingegen hydrophil (wasserliebend). Diese beiden Eigenschaften garantieren ein gleichbleibendes Milieu in der Zelle.

Phospholipide besitzen bei Körpertemperatur (37° C) eine flüssige Konsistenz. Deshalb sind Zellen enorm flexibel. Dass das Plasmalemm nicht «wegschwimmt», dafür sorgen die hydrophoben Fettanteile.

MEMO Plasmalemm Das Plasmalemm besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht, die aussen hydrophile und innen hydrophobe Eigenschaften besitzt.

Das Plasmalemm stellt keine undurchdringbare Wand dar: Fettlösliche Substanzen sowie gasförmige Moleküle (Sauerstoff (O2), Kohlendioxid (CO2)) gehen problemlos durch. Für wasserlösliche Substanzen bildet das Plasmalemm allerdings eine Barriere. Um solche Stoffe in die Zelle oder aus der Zelle zu schleusen, sind im Plasmalemm «Türen» eingebaut – die Membranproteine (Membraneiweisse). Sie fungieren als Pumpen und Poren für den Austausch wasserlöslicher Stoffe. (Siehe Kapitel «Stoffaustausch – ein stetiges hin und her»)

Auf der Aussenseite des Plasmalemm sitzt die Glykokalyx («Zuckerschale»). Sie besteht aus bäumchenartigen Zuckermolekülen, die in Membranproteinen (Glykoproteine) oder Lipidmolekülen (Glykolipide) stecken. Die Glykokalyx dient der Zelle als «Identitätskarte» und erlaubt dem Immunsystem die Unterscheidung zwischen körpereigen und körperfremd. Die Glykokalyx definiert zum Beispiel die Blutgruppeneigenschaften A, B, AB, 0 sowie den Rhesusfaktor. Auch für die Zell-Kommunikation ist die Glykokalyx nützlich. Zum Beispiel docken Hormone aus weit entfernten Zellen an die Glykokalyx und «sagen» der Zielzelle, was sie zu tun hat.

Das Zytoplasma – Organellen in wässrigem Milieu

Wie das Äussere der Zelle ist auch das Innere mit Wasser gefüllt. Im Wasser treiben Zellorganellen, Proteine und gelöste Stoffe, die zahlreiche Funktionen im Stoffwechsel übernehmen. Da gibt es Salze (Natrium, Kalium, Kalzium), Zuckermoleküle, Phosphate, Spurenelemente (Eisen, Zink, Chrom) und vieles mehr. Proteine machen etwa 20 % des Zytoplasmas aus. Deshalb besitzt es eine gelartige Konsistenz.

Das Zytoskelett – stabilisiert und formt die Zelle

Das Zytoskelett stabilisiert die Zelle und verleiht ihr die typische Form. Es besteht aus fädigen Eiweissen, die verschiedene Aufgaben innerhalb der Zelle übernehmen. Die beiden wichtigsten Vertreter sind die Aktinfilamente und die Mikrotubuli.

Sehr viele Aktinfilamente findet man in der Muskulatur. Dort sorgen sie zusammen mit Myosin für die Kontraktion eines Muskels. (Siehe Kapitel «Muskelgewebe – bringt Bewegung in den Körper»). Aktinfilamente findet man jedoch in allen Körperzellen. In den mobilen Zellen des Immunsystems zum Beispiel ermöglichen sie die amöboide Bewegung.

Mikrotubuli sehen aus wie winzige Röhrchen. In den Körperzellen entstehen sie schnell und zerfallen nach Gebrauch sofort, um an einer anderen Stelle erneut zu erscheinen. Mikrotubuli positionieren die Zellorganellen, helfen bei der Zellteilung und bilden Zilien im Atemtrakt sowie die Geisseln der Spermien.

Die Zellorganellen

Zellorganellen schwimmen als komplexe Strukturen im Zytoplasma. Sie erfüllen verschiedene Aufgaben im Zellstoffwechsel.

Zu den Zellorganellen gehören (Abb. 1):

 Mitochondrien (Energieproduktion)

 Ribosomen (Eiweissherstellung)

 Endoplasmatisches Retikulum (Speicherung und Bearbeitung der Eiweisse)

 Golgi-Apparat (Verpackung und Versand von Eiweissen)

 Lysosomen (intrazelluläre Verdauung)

 Nukleus (Hüter des Erbguts)

Die Mitochondrien – Kraftwerke der Zellen

Als Energiezentrale dient das Mitochondrium der Energiegewinnung durch Oxidation (Abb. 3). In den Mitochondrien oxidieren («verbrennen») Glukose (Traubenzucker) oder Fettsäuren mit Hilfe von O2 (Sauerstoff) zu CO2 (Kohlendioxid) und H2O (Wasser).

Abb. 3 Aufbau eines Mitochondriums [Mariana Ruiz Villarreal]

Als Gewinn entsteht der Energieträger Adenosintriphosphat (ATP). Sämtliche energieverbrauchenden Vorgänge im Körper benötigen ATP: Die Mitochondrien liefern den Nachschub. Daraus geht hervor, dass es reichlich Mitochondrien in Zellen gibt, die viel Energie verbrauchen (Herzmuskelzellen, Nervenzellen). Denkt man das weiter, wird klar, dass solche Zellen auf eine optimale Sauerstoffversorgung angewiesen sind.

Die Mitochondrien dienen auch als Kalziumspeicher und leiten die Apoptose (programmierter Zelltod) von Zellen ein. (Siehe Kapitel «Apoptose – programmierter Zelltod»)

Exkurs Oxidation Ursprüngliche Definition der Oxidation: die Verbindung eines Elements mit Sauerstoff. Modernere Definition der Oxidation: Prozess, bei dem einem Atom Elektronen entzogen werden. Der gegenteilige Prozess heisst Reduktion.

Wie bei den Körperzellen umschliesst eine Doppelmembran aus Phospholipiden die Mitochondrien. Die innere Schicht ist, anders als bei Körperzellen, gefaltet (Cristae). Hier finden komplexe chemische Reaktionen statt, die am Ende den Energieträger ATP liefern.

Eine weitere Ähnlichkeit zu Körperzellen ist das Erbgut: Jedes Mitochondrium besitzt eine eigene zirkuläre (ringförmige) DNA (Desoxyribonukleinsäure). Diese DNA wird allein von der Mutter auf die Kinder vererbt.

Forscher vermuten, dass in Urzeiten die heutigen Mitochondrien als Bakterien andere Lebewesen infizierten und daraus eine Symbiose entstand.

Die Ribosomen – Eiweissfabrik der Zelle

Ribosomen sind die Zellorganellen der Proteinsynthese (Eiweissherstellung). Die Ribosomen setzen sich aus zwei Teilen zusammen: einer kleinen und einer grossen Untereinheit. Jede Untereinheit ist aus rRNA (ribosomale Ribonukleinsäure) und zahlreichen Proteinen aufgebaut. Braucht der Körper ein Protein, wird im Zellkern zuerst eine Kopie der DNA angefertigt – die mRNA (messenger-RNA = Boten-RNA). Sie wird aus dem Zellkern geschleust und im Zytoplasma durch das Ribosom «gezogen». Es liest die Informationen der mRNA ab und «übersetzt» sie in Aminosäuren – die Bausteine der Proteine. (Siehe Kapitel «Die Proteinsynthese – Aminosäurebaukasten»)