Arbeitsblatt: Blut

Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 Blut Inhalt 1 Der Mythos Blut . 1 2 Zusammensetzung des Blutes . 1 2.1 Blutzellen 1 2.1.1 Rote Blutkörperchen . 1 2.1.2 Weisse Blutkörperchen . 3 2.1.3 Blutplättchen. 4 2.2 Repetition Blutzellen 6 2.3 Blutausstrich (Praktischer Teil) 7 2.3.1 Ziel 7 2.3.2 Material. 7 2.3.3 Versuchsdurchführung 7 2.3.4 Mikroskopieren. 8 2.3.5 Mikroskopische Zeichnung 8 2.3.6 Differenzierung der Leukozyten . 9 2.4 Blutzellbildung . 10 2.4.1 3 EPO. 11 2.5 Gasaustausch 12 2.6 Blutstillung (Hämostase) 14 2.6.1 Gefässreaktion 14 2.6.2 Weisser Thrombus 14 2.6.3 Blutgerinnung . 14 Blutgruppen 16 3.1 Historischer Rückblick . 16 3.2 Blutgruppensystem . 16 3.2.1 AB0-Blutgruppensystem 16 3.3 Rh-(Rhesus) System . 17 3.4 Zusatz: Sensibilisierung bei der Schwangerschaft . 18 3.5 AB0-Blutgruppensystem 19 3.6 Blutübertragung (Transfusion) . 20 3.7 Komponentensystem 20 3.8 Blutplasma 21 4 Abbildungsverzeichnis . 22 5 Literaturverzeichnis 22 Blut 1 Der Mythos Blut Das Blut hat den Menschen seit Jahrtausenden fasziniert. Schon der vorgeschichtliche Mensch wusste, dass ein Tier bald sterben würde, wenn es eine bestimmte Menge Blut verloren hatte. Blut bedeutete also Leben. In manchen Kulturen trank man beispielsweise Tierblut in der Hoffnung, dadurch die Kraft und den Mut eines Löwen zu erhalten. 2 Zusammensetzung des Blutes Abb. 1 Blutsenkung Das Blut ist nicht einfach eine Flüssigkeit, sondern setzt sich aus mehreren Bestandteilen zusammen. Lässt man eine kleine Menge Blut über eine längere Zeit ruhig in einem Gefäss stehen, so beginnen sich die einzelnen Bestandteile voneinander zu trennen: Feste Bestandteile 2.1 Blutzellen 2.1.1 Rote Blutkörperchen Rote Blutkörperchen werden Erythrozyten (Griech: „erythros heisst rot und „zytos steht für Zelle) genannt. Wie der Name bereits verrät, geben die Erythrozyten dem Blut die rote Farbe. Sie sind die bei Weitem häufigsten Blutzellen. In 1 mm3 Blut sind etwa 5 Millionen Erythrozyten enthalten. Die Form der Zellen ähnelt einer oben und unten eingedrückten Scheibe. Diese Struktur vergrössert die Zelloberfläche und ermöglicht somit einen besseren Gasaustausch. Die Erythrozyten haben einen Durchmesser von 7,5 m und eine Dicke von 2 m (1 m 0,001 mm). Sie können sich stark verformen, damit sie sich durch die engsten Blutgefässe (teilweise nur gerade 1 m) zwängen können. Die Erythrozyten stehen dem Organismus etwa 100 bis 120 Tage zum Sauerstofftransport zur Verfügung. Anschliessend werden die alten Erythrozyten in der Abb. 2 Hämoglobinmolekül 1) 2) 3) Abb. 3 1Seite Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 Milz aus dem Blutstrom ausgesondert, abgebaut und die Bausteine zum grossen Teil wiederverwendet. Die ausgewachsenen Erythrozyten besitzen keinen Zellkern. Dieses ungewöhnliche Merkmal lässt in den Zellen mehr Raum für Hämoglobin (rund 250 Millionen Moleküle Hämoglobin pro Erythrozyt!), das eisenhaltige Protein, das dem Sauerstofftransport dient. Hämoglobin besteht aus 4 Globinmolekülen (Eiweiss), in die je ein Häm eingebunden ist. Zentrum des Häm ist ein Eisen (II)-Ion, das über 4 Bindungsstellen in ein Porphyrin-Ringsystem eingebunden ist. Die 5. Bindungsstelle hält das Häm am Globin fest, die 6. Bindungsstelle bleibt frei und kann ein O2-Molekül locker (reversibel) binden. Dabei entsteht aus dem dunkelroten Hämoglobin das hellrote Oxi-Hämoglobin. Wenn Erythrozyten die Kapilarbetten der Lungen passieren, diffundiert O2 in die Erythrozyten und bindet an Hämoglobin. In den Kapillaren des Körperkreislaufs dissoziiert O2 vom Hämoglobin und diffundiert in die Körperzellen. Anschliessend nimmt Hämoglobin CO2 aus den Körperzellen auf und transportiert dieses in die Lungen zurück, wo es mit der Luft wieder ausgeatmet wird. Kohlenstoffmonoxid (CO), welches zum Beispiel bei unvollständiger Verbrennung entsteht und unter anderem im Zigarettenrauch eingeatmet wird, bindet sich auch an die Häm-Moleküle. CO verdrängt dabei den O2 sogar von seinem Platz. Dadurch nimmt es den lebenswichtigen Sauerstoffmolekülen den TransportPlatz weg und die Zellen werden unzureichend versorgt. In schweren Fällen kann dies zum „inneren Erstickungstod führen. Aufgaben (A) 1) Weshalb haben die Erythrozyten die Struktur einer bikonkaven Scheibe? 2) Wieviele Moleküle O2 kann Erythrozyt enthalten? ein einziger 3) Haben Erythrozyten einen Zellkern? Begründen Sie! 4) Beschriften Sie die Abbildungen 2 und 3 5) Weshalb sollten schwangere Frauen nicht rauchen? Abb. 4 rote Blutkörperchen Erythrozyten 2Seite Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 2.1.2 Weisse Blutkörperchen Auch hier hat der Namen seinen Ursprung im Griechischen, „leukos bedeutet weiss. „Weiss nennt man diese an sich farblosen Blutzellen deshalb, weil sie, abgetrennt von den übrigen Blutzellen, eine weisse Paste ergeben. Leukozyten sind etwa doppelt so gross wie die Erythrozyten und besitzen einen Zellkern und kein Hämoglobin. Normalerweise enthält 1 mm3 menschliches Blut rund 4000- 10 000 Leukozyten; wenn der Körper gegen eine Infektion kämpft, kann sich ihre Zahl zeitweise deutlich erhöhen. Ihre Grösse beträgt 7-20 m, je nach Art, denn genau genommen handelt es sich bei den Leukozyten um einen Sammelbegriff. Es sind 3 Hauptgruppen mit verschiedenen Aufgaben zu unterscheiden: Granulozyten Monozyten (Makrophagen) Lymphozyten Granulozyten Die Granulozyten enthalten charakteristische Zellkern-Körnchen, daher der Name, der vom Lateinischen „granula (Körnchen) abgeleitet wird. Sie machen 65 der Leukozyten aus. Sie werden im Knochenmark gebildet und leben nur einige Stunden bis wenige Tage. Aktiv werden Granulozyten, wenn Erreger in unseren Körper eindringen, das heisst, wenn eine Infektion auftritt oder sich eine Stelle entzündet. Ihre Aufgabe ist vor allem die unspezifische Bekämpfung (angeborene Immunantwort) von Bakterien, Parasiten und Pilzen. Sie sind in der Lage, Krankheitserreger in sich aufzunehmen und zu zerstören. Daher werden sie zu den „Fresszellen gezählt. Monozyten Die Monozyten sind die grössten Leukozyten. 3-8 der Leukozyten sind Monozyten. Sie werden im Knochenmark gebildet und haben als zirkulierende Zellen eine Lebensdauer von 1-3 Tagen, bevor sie ausreifen und in die Gewebe einwandern. Dort leben sie als Makrophagen für weitere Wochen bis Monate. Monozyten heissen sie, weil ihr Zellkern aus einem einzigen Kernteil besteht. Sie sind „Riesenfresszellen, die herumliegende Krankheitserreger und tote Zellen auffressen und diese in ihrem Innern verdauen. Daneben haben sie die wichtige Funktion, die Helferzellen über das aussehen der Oberflächenmerkmale des Eindringlings zu informieren. Abbildung 5 Granulozyten und Monozyten Makrophagen nehmen Krankheitserreger in sich auf und verdauen sie. Dieser Vorgang nennt man Phagozytose. Lymphozyten Die Lypmphozyten machen einen Viertel der Leukozyten aus und sind im Blut nur auf der Durchreise. Sie werden zusätzlich zum Knochenmark auch in den Lymphknoten und der Milz gebildet. Sie zirkulieren ebenfalls ständig im Körper, sei es, dass sie wie die anderen Leukozyten an einen Entzündungsort gelangen, sei es, dass sie in ihr Depot wandern, das heisst in die überall im Körper verteilten Lymphknoten. Sie entwickeln sich zu spezialisierten B- und T-Zellen, die Immunreaktionen gegen Fremdsubstanzen einfädeln. Von den Lymphknoten aus sind die Lymphozyten für die spezifische Abwehr tätig. Sie sind das Zentrum des Immunsystems, indem sie drei wesentliche Aufgaben erfüllen: Als Killerzellen vernichten sie Wirtszellen, als Plasmazellen bilden sie Antikörper gegen Antigene (eine Plasmazelle kann in einer Stunde bis zu 2000 Antikörper produzieren), und sie bilden Gedächtniszellen aus, die jahrzehntelang überleben können. Während die Erythrozyten passiv im Blut mitgeschwemmt werden, können sich die Leukozyten 3Seite Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 selbstständig wie Amöben fortbewegen. Dadurch können sie auch gegen den Blutstrom schwimmen, die Gefässwände passieren und so an alle Stellen im Körper gelangen, wenn sie gebraucht werden. Aufgaben (B) 1) Welcher Prozess ist in der Abb. 5 dargestellt? Beschriften Sie die Abbildung und erläutern Sie welche Blutzellen dies praktizieren. 2) Wiso ist es wichtig, dass Leukozyten nicht passiv im Blut mitgeschwemmt werden? Wie können sich die Leukozyten fortbewegen? 3) Zu welchen Prozentanteilen sind die verschiedenen Leukozyten im Blut anzutreffen? 4) Wie unterscheiden sich die Leukozyten von den Erythrozyten? (nur strukturell) 5) Beschreiben Sie kurz die Aufgaben der einzelnen Hauptgruppen. 2.1.3 Blutplättchen Ähnlich den Erythrozyten sind Thrombozyten kernlose, scheibenförmige Gebilde, die aus Knochenmarksriesenzellen entstehen. Sie sind mit 1–3 m die kleinsten Blutzellen, pro mm3 Blut hat es 150 000–400 000 Thrombozyten, die 8–10 Tage überleben. Blutplättchen sorgen dafür, dass das Blut innerhalb der Blutgefässe bleibt. Kleinste Verletzungen Abb. 6 Thrombozyten der Gefässe, sogar Risse in der Gefässwand, werden sofort mit Thrombozyten verklebt. Bei diesem Vorgang der Blutstillung verlieren die Thrombozyten ihre Scheibenform: Sie werden kugelig und bekommen eine stachelige Oberfläche. Eine Anhäufung von Thrombozyten (mit Beimischung von Gerinnungseiweissen) nennt man Thrombus. Diese Blutgerinnsel dürfen nicht zu gross werden, da sie sonst Blutgefässe verstopfen. Thrombose Bei einer Thrombose verstopft ein Thrombus das Blutgefäss. Die Ursachen für die Entstehung eines Thrombus sind eine Verlangsamung des Blutstromes, eine Schädigung der Gefässwand und eine Veränderung der Zusammensetzung des Blutes, die eine verstärkte Blutgerinnung zur Folge hat. An der Schädigung der Gefässwand, zum Beispiel durch Ablagerung, bleiben die Blutplättchen hängen, verkleben und bilden einen Thrombus. Wird der Thrombus vom Blutstrom abgerissen und mitgeschwemmt, so kann er in der Lunge eine Embolie, im Herz einen Infarkt und im Gehirn einen Hirnschlag auslösen, weil er die Kapillaren verstopft. Durch den Verschluss der Blutgefässe werden die Körperzellen nicht mehr mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt und können ihrer Funktion nicht nachgehen. Arteriosklerose Unter Arteriosklerose versteht man die krankhafte Veränderung der Blutgefässwand durch Ablagerung und Verkalkung. Durch Rauchen, Stress, Übergewicht, hohen Blutdruck, Cholesterin, Zuckerkrankheit, Alter und Bewegungsmangel wird die Ausbildung der Arteriosklerose begünstigt. Verschiedene Stoffe lagern sich über Jahre an der Gefässwand ab und verstopfen die Blutbahn immer stärker. Erst im 4Seite Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 fortgeschrittenen Stadium machen sich Durchblutungsstörungen bemerkbar. Die Nachfolgekrankheiten, wie unter anderem Herzinfarkt und Schlaganfall, zählen zu den häufigsten Todesursachen. Aufgaben (C) 1) Was ist die Hauptaufgabe der Thrombozyten? 2) Wie entsteht ein Thrombus und weshalb kann dieser gefährlich werden für den Menschen? 3) Beschreiben Sie den Unterschied zwischen einer Arteriosklerose und einer Thrombose. Abb. 8 Arteriosklerose Abb. 7 Blutzellen eines Säugers 1. 4) Wie sind Thrombozyten aufgebaut und welche Formen können sie annehmen? 2. 5) Beschriften Sie die Abbildung 1. 6. Monozyten 3. 4. 5. 7. Lymphozyt 5Seite Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 2.2 Repetition Blutzellen Logical Name Funktion Grösse in m Anzahl/mm3 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. Granulozyten können 14 m gross werden. Die zweite Zelle von rechts hat nicht die spezifische Abwehr zur Funktion. Die erste Zelle von links wird bis zu 7,5 m gross. Von den Erythrozyten gibt es rund 5 Mio/mm3. Die Zelle, welche für den Sauerstoff- und den Kohlenstofftransport zuständig ist, ist nicht neben der Riesenfresszelle abgebildet. Thrombozyten dienen der Blutstillung. Ganz rechts ist ein Lymphozyt abgebildet. Das zweite Bild von links stellt eine 3 m grosse Zelle dar, von der es im Blut bis zu 400 000 pro mm3 gibt. Die zweite Zelle von rechts wird bis zu 25 m gross. Von den Lymphozyten gibt es bis zu 2500 pro mm3. Die Zelle neben derjenigen, von der es bis zu 2500 pro mm3 gibt, funktioniert als Riesenfresszelle. Erythrozyten sind für den Sauerstoff- und Kohlenstofftransport zuständig. Die 15 m grosse Zelle ist nicht ganz links abgebildet. Von der Zelle, die für die Fremdkörperabwehr zuständig ist, gibt es bis zu 6500 pro mm3. Die Zellen, von denen es rund 2500 resp. rund 400 000 pro mm3 gibt, sind nicht nebeneinander abgebildet. Von einer Zelle gibt es bis zu 1000 pro mm3. 6Seite Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 2.3 Blutausstrich (Praktischer Teil) 2.3.1 Ziel Sie können einen selbst hergestellten Blutausstrich mikroskopisch untersuchen und eine mikroskopische Zeichnung der Blutzellen anfertigen. 2.3.2 Material 2 Objektträger Haushaltspapier Heftpflaster Merfen zur Desinfektion 1 Accu-Chek Safe-T-Pro sterile Lanzette Mikroskop 2.3.3 Versuchsdurchführung Vorsicht mit Blut! Blut könnte AIDS Viren enthalten. Ein Kontakt mit körperfremdem Blut ist zu vermeiden! Eine Übertragung der Viren über Schleimhäute oder offene Wunden wäre denkbar. Accu-Chek Lanzetten nur einmal verwenden, nach Gebrauch in die dafür vorgesehenen Behältern entsorgen! Zudem müssen alle Vorsichtsmassnahmen für die Sterilität der Stichstelle gewährleistet sein! Stichstelle desinfizieren, anschliessend mit Heftpflaster abdecken. Wichtiger Hinweis!! Bereiten Sie zuerst alle Materialien für den Ausstrich vor, bevor Sie zur Blutentnahme schreiten. a) Beschriften Sie den Objektträger mit Bleistift (die Initialen sind ausreichend). b) Führen Sie die Schritte f) und g) zuerst mit einem Wassertropfen aus! c) Eine Fingerbeere der linken Hand (Linkshänder rechte Hand) mit alkoholgetränktem Papiertüchlein desinfizieren. d) Mit dem Daumen Blut in der Fingerbeere stauen. e) Rascher Einstich mit der sterilen Lanzette (Lanzette direkt nach Gebrauch entsorgen!) f) Blutstropfen (ca. 3 bis 4 mm Durchmesser) auf ein Ende des Objektträger auftragen. g) Mit der Kante des zweiten Objektträgers gleichmässig, nicht zu langsam ausstreichen, siehe Abbildungen 1.-5. h) Ausstrich ca. 4 Minuten trocknen lassen und dann der Lehrperson zum Färben bringen. Abb. 1.Blut auftragen Abb. 4.Ausstreichen Abb. 2.Andocken (rückwärts) Abb. 3.Tropfen quer verlaufen lassen Abb. 5.Lufttrocknen 7Seite Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 2.3.4 Mikroskopieren 1. Ausstrich auf den Kreuztisch des Mikroskops legen. 2. Zunächst mit dem Objektiv der niedrigsten Vergrösserung (1,0-fach bis 5-fach) einstellen. Geeigneter Ausschnitt suchen und Bild „scharf stellen. 3. Stellen Sie dann die mittlere Objektivvergrösserung (10-fach bis 40-fach) ein. 4. Durchmustern sie das Präparat mäanderförmig (Siehe Abb. 6.). Beim Ausstreichen des Blutes verteilen sich die Leukozyten nicht gleichmässig; am Rand des Ausstrichs finden sich vermehrt grössere weisse Blutkörperchen (Granulozyten, Monozyten), in der Mitte gehäuft kleinere Zellen (Lymphozyten). 5. Suchen Sie nun einen geeigneten Ausschnitt, bei welchem Sie möglichst alle verschiedenen Blutzellen sehen können, und erstellen Sie eine mikroskopische Zeichnung davon. Abb. 6. Präparat mäanderförmig durchmustern 2.3.5 Mikroskopische Zeichnung Befolgen Sie zur Erstellung der mikroskopischen Zeichnung die folgenden Schritte: 1. Nehmen Sie ein weisses Blatt und beschriften Sie es unten Links mit folgenden Angaben: Name: Datum: Klasse: 2. 3. 4. 5. 6. Vergrösserung: Oben zentral steht der Objektnamen als Überschrift unterstrichen. Zeichnen Sie das Objekt so gross, dass Sie ungefähr 2/3 des gesamten Platzes ausfüllen. Zeichnen und beschriften Sie alles nur mit einem gut gespitzten Bleistift. Arbeiten Sie sauber, mit dünnen Linien. Radieren Sie möglichst nicht. Zeichnen Sie nur, was Sie sehen. Vergleichen Sie Ihre Zeichnung deshalb immer wieder mit dem Bild im Mikroskop. Beschriften Sie die Bestandteile des Objekts in Druckschrift. Schreiben Sie alle Bezeichnungen rechts neben die Zeichnung. Erstellen Sie dabei mit einem Lineal parallele Beschriftungslinien (dürfen sich nicht überschneiden) Abb. 7. Schematische Darstellung einer mikroskopischen Zeichnung 8Seite Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 2.3.6 Differenzierung der Leukozyten Lymphozyten sind mit einem Zelldurchmesser bis 12 m die kleinsten Zellen der Leukozyten. Sie besitzen einen runden, selten eingebuchteten, dunklen, dichten, tiefblauen Kern mit einem schmalen hellblauen, oft kaum erkennbaren Zytoplasmasaum („nacktkernig) Monozyten sind die grössten Zellen des Blutes (12-20 m) und ausserordentlich vielgestaltig. Das unregelmässig begrenzte Zytoplasma ist graublau, der Kern gelappt, eingebuchtet oder stabförmig. Granulozyten sind mittelgross und ebenfalls äusserst vielgestaltig. Der Kern besteht aus verschiedenen Segmenten, die durch schmale oder auch breite Brücken verbunden sind. Oft erkennbar sind die Granula, die sogar teilweise den Zellkern verdecken 9Seite Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 2.4 Blutzellbildung Wissen Sie eigentlich, wie alt Ihr Körper ist? Natürlich, werden Sie sagen, das steht doch sogar im Ausweis. Genau genommen lässt sich dort jedoch nur das Alter Ihrer Person entnehmen – das Alter Ihrer Körperzellen kann erheblich davon abweichen. Ihre Hautzellen sind etwa 2 Wochen alt, die Knochen 10 Jahre, Muskeln 15 Jahre, nur Herz, Gehirn und Augen entsprechen unserem wirklichen Lebensalter. Im Mittel ist ein erwachsener Körper deshalb nur sieben bis zehn Jahre alt. Die Aufgabe, fehlende oder abgestorbene Zellen zu ersetzen, also die Regeneration, wird von Stammzellen übernommen. Das sind undifferenzierte Zellen, aus denen durch Teilung spezialisierte Zelltypen hervorgehen. Bilden die Zellen verschiedene Zelltypen innerhalb eines der drei Keimblätter (Ekto-, Meso- oder Entoderm), nennt man diese Stammzellen pluripotent. Regenerieren sie nur einen bestimmten Zelltyp, sind sie multipotent. Am Beispiel der Blutbildung lässt sich die Arbeitsweise von Stammzellen verfolgen (Siehe Abb. 9). Die Stammzellen von Blutzellen liegen beim Erwachsenen im roten Knochenmark. Nach der mitotischen Teilung einer Stammzelle bleibt eine der beiden Tochterzellen pluripotent und erhält damit einen Bestand von 0.01% Blutstammzellen im Knochenmark. Die andere Tochterzelle differenziert sich zur multipotenten Stammzelle. Aus dieser entstehen in mehreren Schritten etwa 10 000 reife Blutzellen. Die multipotenten Stammzellen, die sich dann zu B-Zellen und T-Zellen weiterentwickeln, werden auch lymphoide Stammzellen genannt. Alle anderen Blutzellen differenzieren sich von myeloiden Stammzellen. Gesteuert wird dieser komplizierte Regenerations- und Differenzierungsprozess durch Transkriptions- und Wachstumsfaktoren, wie Erythropoietin (EPO Siehe Seite 11). Abb. 9 Differenzierung der Blutzellen 10 S i e Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 2.4.1 EPO Erythropoietin (EPO) ist ein in der Niere produziertes Peptid-Hormon, das die Produktion von Erythrozyten in den Stammzellen des Knochenmarks anregt. Erythrozyten transportieren Sauerstoff, gebunden an das in ihnen enthaltene Hämoglobin, aus der Lunge zu den Zellen aller Körperregionen. Wie dieser Gasaustausch möglich ist erfahren Sie auf der nächsten Seite. Die Anzahl der Erythrozyten wird dem Bedarf angepasst. Der Anteil der roten Blutkörperchen im Blut wird als Hämatokrit (Hkt) bezeichnet und beträgt normalerweise bei den Männern 46% und bei den Frauen 41%. Bei einem mehrtägigen Höhenaufenthalt steigt der Hämatokrit-Wert. Mit der Erythrozytenzahl erhöht sich die Sauerstofftransportleistung des Bluts. Dadurch wird die tiefere Sauerstoffkonzentration in der Höhenluft teilweise kompensiert. Die Erhöhung der Sauerstofftransportleistung ist für Ausdauersportler interessant, weil ihre körperliche Leistung durch die Sauerstoffversorgung der Muskulatur limitiert ist. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Erythrozytenzahl ist das Höhentraining. Eine andere – allerdings illegale – ist die Einnahme des Nierenhormons Erythropoietin kurz EPO, das die Bildung von Erythrozyten stimuliert. Die Erhöhung der Erythrozytenzahl ist aber für Sportler gefährlich, weil das Blut dickflüssiger (erhöhte Viskosität) wird. Bei Wettkämpfen erhöht sich das Risiko durch den Wasserverlust zusätzlich. Man hat darum für die Teilnehmer an Wettkämpfen einen Maximalwert von 50% (Männer) und 47% Hkt (Frauen) festgelegt, der nicht überschritten werden darf. Aufgaben 2.4.1 1) Wann und wo wird Erythropoietin hergestellt? Beschreiben Sie auch die genaue Wirkung 2) Beschreiben Sie mit Hilfe der Abb.10 die Methode des Blutdopings und stellen Sie eine Hypothese zu Gefahren beider Dopingmethoden auf: Kurz vor dem Wettkampf Abb. 10 Blutdoping 11 S i e Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 2.5 Gasaustausch Der Gasaustausch über die Lungenschleimhaut erfolgt durch Diffusion, also ohne Energieaufwand. In Wasser gelöste Teilchen diffundieren entlang ihrem Konzentrationsgefälle. Bei Gasmolekülen geht es jedoch nicht um Konzentrationsgefälle, sondern um Druckdifferenzen. In einem Gasgemisch übt jedes Gas einen Partialdruck (Teildruck) aus, der seinem Anteil am Gesamtvolumen entspricht. In den Alveolen der Lunge herrscht ein O2-Partialdruck (PO2) von 13 kPa, im arteriellen Blut dagegen nur von 5 kPa. Umgekehrt findet sich im arteriellen Blut ein Pco2 von 6 kPa, in der Alveole dagegen von 5kPa. Wie Sie bereits auf der 1.Seite des Skripts erfahren haben, spielt das Hämoglobin beim O2 – und CO2Transport die Hauptrolle. Es ist in seinen Eigenschaften mit einem Enzym vergleichbar. Es bildet mit seinem Substrat, dem Sauerstoff, einen Enzym-Substrat-Komplex. Anders als bei einem Enzym entsteht jedoch kein Produkt, sondern der Komplex löst sich später wieder auf, indem das Hämoglobin den Sauerstoff wieder abgibt. Ebenso verhält es sich mit der CO2-Anlagerung. Die Anlagerung von O2 und CO2 ist also reversibel (umkehrbar), und auf dieser Umkehrbarkeit beruht der Atemgastransport. Die O2-Bindungseigenschaften des Hämoglobins sind erstaunlich genau an den wechselnden Bedarf eines Organismus angepasst. Das betrifft insbesondere sein O2-Bindungsvermögen, die Affinität für Sauerstoff. Das heisst, dass das Hämoglobin bei der Bindung von etwas Sauerstoff mehr „Appetit auf Sauerstoff bekommt, sodass es sich nun viel leichter beladen lässt. Das können Sie an der S-Form der O2-Bindungskurve erkennen (Abb.12). Diese Kooperativität des Hämoglobins passt dessen Funktion exakt an die O2-Partialdruckverhältnisse im Körper an. Sie beruht auf die Zusammenarbeit der vier Untereinheiten (Quartärstruktur). Abb. 11 Gasaustausch in der Lunge Abb. 12 Sauerstoffbindungskurve 12 S i e Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 Aufgaben 2.5 1) Tragen Sie die fehlenden Werte in der Abb. 11 ein. 2) Was ist die treibende Kraft für den Gasaustausch in den Lungen? 3) Beschreiben Sie den Verlauf der O2-Bindungskurve von Hämoglobin in Abb.12. Welchen Vorteil bringt das steile Mittelstück der Kurve? 13 S i e Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 2.6 Blutstillung (Hämostase) Was passiert bei Verletzungen von Gefässen? Wie wird der Blutverlust gestoppt? Damit wir nicht verbluten, wenn wir uns mit dem Küchenmesser in den Finger schneiden, tragen zur Blutstillung 3 Vorgänge bei: Gefässreaktion Plättchenpropf (Weisser Thrombus) Blutgerinnung 2.6.1 Gefässreaktion In einem verletzten Blutgefäss ziehen sich die Ringmuskeln der Gefässwand an der betroffenen Stelle zusammen. Das Gefäss wird weniger oder gar nicht durchblutet. man den Vorgang „Gerinnungskaskade (Tab.1). Am Ende der Reaktions-Kaskade bildet sich aus dem inaktiven Eiweiss Prothrombin das aktive Enzym Thrombin. Für diese Umwandlung sind auch Calcium-Ionen und Stoffe nötig, die von den Blutplättchen abgegeben werden. Das Thrombin katalysiert dann das Zusammenlagern von gelösten Molekülen des Plasmaeiweisses Fibrinogen zu unlöslichen Fibrinfäden. Diese bilden ein Fibrinnetz, das sich zusammenzieht und Blutplättchen sowie Blutkörperchen einschliesst. So entsteht an der Leckstelle in ca. 5 Minuten ein stabiler Propf, der durch die eingeschlossenen Erythrozyten, als roter Thrombus bezeichnet wird. 2.6.2 Weisser Thrombus Blutplättchen (Thrombozyten) lagern sich an die defekte Stelle der Gefässwand an und bilden in 2-4 Minuten einen ersten Propf (weisser Thrombus). Dieser ist nicht sehr stabil und wird nach einigen Minuten ersetzt durch den roten Thrombus, der sich bei der Blutgerinnung bildet. Abb. 13 Roter Thrombus 2.6.3 Blutgerinnung Die Blutgerinnung ist ein komplexer Vorgang. Sie wird durch Stoffe ausgelöst, die bei der Verletzung freigesetzt werden, und beginnt mit einer Kette von Reaktionen. Jede Aktivierung eines Gerinnungsfaktors löst den nächsten Schritt aus, deshalb nennt Tab. 1 Gerinnungsfaktoren 14 S i e Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 Begriffe: Gefässreaktion, Blutplättchen, Prothombin, Aktivierung und Zusammenlagerung, FibrinBlutkörperchen, Ca2, Gerinnungsfaktoren 15 S i e Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 3 Blutgruppen 3.1 Historischer Rückblick Der Versuch, einem Menschen das Blut eines anderen zu übertragen, wurde bereits im Altertum unternommen. Blut diente damals vor allem als Heil- und Verjüngungsmittel. Begüterte Römer tranken das Blut getöteter Gladiatoren, dem sterbenden Papst lnnozenz III (13. Jh.) gab der Arzt das Blut von drei jungen Knaben zu trinken. Jedoch ohne Erfolg, alle vier starben. Erst verschiedene Erkenntnisse, wie die Entdeckung des Blutkreislaufes 1628, ebneten schrittweise den Weg zu erfolgreichen Blutübertragungen. Richard Lower wagte in England, nach einem Test zwischen Hunden, tierisches Blut auf den Menschen zu übertragen. Meist misslangen solche Transfusionen, da Krankheiten auftraten, vor allem aber, weil man das System der verschiedenen Blutgruppenmerkmale noch nicht kannte. Diese Entdeckung gelang erst 1901 dem Österreicher Karl Landsteiner, wofür er 1930 den Nobelpreis für Medizin erhielt. 3.2 Blutgruppensystem Bei schweren Verletzungen muss der Blutverlust durch Blutübertragung (Bluttransfusion) ausgeglichen werden. Solche Transfusionen sind nicht immer ohne Folgen möglich, da es beim Empfänger zu tödlich verlaufenden Abwehrreaktionen kommen kann. Auf der Oberfläche der Erythrozyten (Ec) befindet sich ein genetisch festgelegtes Sortiment an Antigenen, das sich aus Glykoproteinen und Glykolipiden zusammensetzt. Diese Antigene kommen in charakteristischen Kombinationen vor. Auf der Basis von An- oder Abwesenheit der verschiedenen Antigene werden innerhalb der Blutgruppensysteme verschiedene Blutgruppen unterschieden. Es gibt mind. 24 Blutgruppensysteme und mehr als 100 Antigene, die auf der Oberfläche der roten Blutkörperchen festgestellt werden können. Hier wollen wir die zwei Hauptblutgruppen diskutieren – das AB0-System und das Rh-(Rhesus) System. Abb. 14 Karl Landsteiner, Entdecker des Blutgruppensystems sowohl Antigen als auch Antigen aufweisen, haben die Blutgruppe AB und solche, die keines der beiden Antigene besitzen, haben die Blutgruppe 0. Das Blutplasma enthält üblicherweise Antikörper, die mit den A- oder B-Antigenen reagieren können. Dabei handelt es sich um die anti-A-Antikörper, die mit dem Antigen reagieren, und die anti-B-Antikörper, die mit dem Antigen reagieren. Eine Person, mit Blutgruppe hat z.B. B-Antigene auf der Oberfläche der Erythrozyten und anti-A-Antikörper im Blutplasma. 3.2.1 AB0-Blutgruppensystem Das AB0-Blutgruppensystem basiert auf zwei Glykolipid-Antigenen, genannt und B. Personen deren Erythrozyten nur das Antigen besitzen, haben die Blutgruppe A. Diejenigen, die nur das Antigen besitzen, haben Blutgruppe B. Individuen, die 16 S i e Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 3.3 Rh-(Rhesus) System Das Rhesus-Blutgruppensystem hat seinen Namen von der Entdeckung des Antigens im Blut der Rhesusaffen. Von den 5 Antigenen im Rhesus-System ist das D-Antigen bei weitem am wichtigsten. Haben die Erythrozyten das Antigen-D auf der Oberfläche, wird diejenige Person als Rhesus-positiv Rh bezeichnet. Wer das AntigenD nicht besitzt, ist Rhesus-negativ rh-. In Europa sind 85% der Menschen Rh. Im Unterschied zu den Antikörpern Anti-A und Anti-B, die sich üblicherweise im Blutplasma befinden, werden die anti-D Antikörper erst nach Kontakt mit dem Antigen gebildet. Wenn beispielsweise eine rh—Person eine Transfusion mit Rh-Blut erhält, beginnt der Körper mit der Synthese von anti-D-Antikörpern, die auch in Zukunft im Blut bleiben. Wenn später eine zweite Transfusion von Rh-Blut erfolgt, können die früher gebildeten anti-D-Antikörper eine Agglutination der roten Blutkörperchen verursachen. Aufgabe 3.3: Ziel: Sie können die folgenden Fragen in eigenen Worten erklären 1. Welche Personen werden als Rh bezeichnet? 2. Worin unterscheiden sich die Antigene des AB0-Systems und des Rhesus-Systems? 3. Weshalb führt es beim 1. Kontakt von rh—Blut und Rh -Blut nicht zu einer Agglutination? 4. Zusatz: Wenn Sie das Rhesus-System verstanden haben und es erklären können, lesen Sie die Seite 18 und versuchen Sie, anhand der Abbildung, die Sensibilisierung bei der Schwangerschaft zu verstehen. 17 S i e Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 3.4 Zusatz: Sensibilisierung bei der Schwangerschaft Wie oben schon beschrieben, werden die anti-D-Antikörper erst nach Kontakt mit dem Antigen gebildet. Eine solche Sensibilisierung kann bei einer rh—Frau durch die Schwangerschaft bzw. die Geburt eines Rh-Kindes ausgelöst werden. Obwohl die Kreisläufe von Mutter und Kind getrennt sind, können vor allem bei der Geburt Rh- Erythrozyten vom Kind zur Mutter gelangen. Die Antigene dieser Erythrozyten lösen bei der Mutter die Bildung von Antikörpern Anti-D aus. Weil diese Sensibilisierung sehr langsam geschieht und meist erst bei der Geburt ausgelöst wird, ist die Antikörperbildung bei der ersten Schwangerschaft gering und das Kind wird nicht geschädigt. Bei einer weiteren Schwangerschaft mit einem Rh-Kind genügen dann winzige Mengen von Rh-Erythrozyten, die in den Kreislauf der sensibilisierten Mutter gelangen, um eine massive Antikörperproduktion auszulösen. Die Anti-D können in den Kreislauf des Kindes gelangen und eine Agglutination (Verklumpung) seiner Rh-Erythrozyten auslösen. Das kann beim Neugeborenen zu Blutarmut (Anämie) führen. Abb. 15 Sensibilisierung bei der Schwangerschaft Hausaufgabe: Beschreiben Sie, ob eine Person mit der Blutgruppe 0 einer Person mit der Blutgruppe A, Vollblut (Inkl. Blutplasma) spenden kann oder nicht. Lösen Sie diese Aufgabe mit Hilfe der Seite 19 im Skript 18 S i e Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 3.5 AB0-Blutgruppensystem Blutgruppe Blutgruppe Blutgruppe AB Blutgruppe Verklumpung Gruppe 19 S i e Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 3.6 Blutübertragung (Transfusion) 3.7 Komponentensystem Unter der Blutübertragung versteht man die Übertragung von Vollblut oder Blutkomponenten (z.B: nur rote Blutkörperchen oder nur Blutplasma). Eine Vollblutübertragung wird heute nicht mehr praktiziert, sondern man trennt das Blut in seine Bestandteile: Erythrozyten, Blutplasma und Blutplättchen. Dies hat den Vorteil, dass den Patienten nur jene Bestandteile verabreicht werden können, die sie auch wirklich brauchen bzw. die Bestandteile gezielter verwendet werden können. Personen mit Blutgruppe AB haben weder anti-A noch anti-B-Antikörper in ihrem Blutplasma. Sie werden manchmal als Universalempfänger bezeichnet, weil sie theoretisch Blut von Spendern aller vier Blutgruppen erhalten können. Sie haben keine Antikörper, die die Antigene aus den übertragenen Erythrozyten angreifen könnten (Siehe S. 19). Personen mit Blutgruppe 0 haben weder Anoch B-Antigene auf ihren roten Blutkörperchen und werden deshalb manchmal als Universalspender bezeichnet, weil ihr Blut theoretisch auf Personen mit anderen Blutgruppen übertragen werden kann. In der Praxis ist der Ausdruck universeller Spender bzw. Empfänger irreführend und gefährlich! Vollblut enthält neben den mit AB0-System assoziierten noch andere Antigene und Antiköper, die Transfusionsprobleme verursachen können. Dieses Komponentenprogramm erlaubt eine gezielte Behandlung und bringt folgende Vorteile: • Wirksamere Krankheitsbehandlung • Sparsamere Verwendung des Spenderblutes • Mehrere Patienten profitieren von einer Blutspende • Optimale und angepasste Lagerung der Komponenten Die wichtigsten Komponenten Erythrozyten-Konzentrat Das Erythrozyten-Konzentrat besteht fast nur aus roten Blutkörperchen in einer Nährlösung und ist als Standardpräparat das wichtigste Blutprodukt. Es ist bei 2–6 C bis zu 42 bzw. 49 Tage haltbar und wird dort eingesetzt, wo ein Mangel an roten Blutkörperchen behoben werden muss. Thrombozyten-Konzentrat Abb. 16 theoretische Kompatibilität der Blutgruppen Heutzutage wählt man grundsätzlich für einen Patienten das Spenderblut derselben AB0- und RhBlutgruppe. Selbst dann, werden in einer Kreuzprobe mögliche Spender Erythrozyten mit dem Plasma des Empfängers und umgekehrt gemischt. Wenn keine Agglutination erfolgt, hat der Empfänger keine Antikörper, die die roten Blutkörperchen des Spenders angreifen können. Bei Blutkrebserkrankungen (Leukämie) oder nach deren Behandlung weist das Blutbild des Patienten nicht nur einen Mangel an Erythrozyten, sondern auch an Blutplättchen auf. Aus Blutspenden gewonnene Blutplättchen-Konzentrate können 7 Tage bei Zimmertemperatur gelagert werden. Seit 2011 werden Thrombozyten-Konzentrate durch ein spezielles Verfahren behandelt, welches die Mehrzahl der Viren, Bakterien oder anderen Erregern zerstört und damit seine Sicherheit weiter steigert. Frisch gefrorenes Plasma Plasma wird innerhalb von 24 Stunden nach der Blutspende tiefgefroren. Es enthält alle Plasmaproteine und die Gerinnungsfaktoren in funktionstüchtigem Zustand. Bei minus 30 C kann es bis zu zwei Jahre aufbewahrt werden. 20 S i e Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 3.8 Blutplasma Lipoproteine Ohne Blutplasma könnten die festen Blutzellen nicht durch den Körper transportiert werden. Das Plasma bildet den flüssigen Teil des Blutes. Neben Wasser (90%) und Salzen enthält das durchsichtige, gelbliche Blutplasma Fette, Hormone und Eiweissstoffe. Wird der Eiweissstoff Fibrinogen bei der Gerinnung verbraucht, so bleibt das sogenannte Blutserum zurück. Lipoproteine sind Fetteiweisse und transportieren die aus der Nahrung aufgenommenen Fette und Cholesterin. Störungen im Haushalt der Lipoproteine können zu Arteriosklerose, Herzinfarkt oder Hirnschlag führen. Albumin Das mengenmässig wichtigste Plasmaprotein ist das Albumin. Sein Anteil an den Eiweissen beträgt 60%. Albumin hat neben dem Transport von Nährstoffen die Aufgabe eines „Wasserträgers. Es verhindert, dass das Blut während der Zirkulation durch die engen, an sich wasserdurchlässigen Gefässe zu viel Wasser verliert und dickflüssig wird. Fehlt Albumin aufgrund ungenügender Ernährung, so entweicht Wasser aus dem Blut, und es bilden sich Wasseransammlungen in den Geweben, sogenannte Hungerödeme. Abb. 18 Hungerödem Bauch Immunglobuline Immunglobuline werden von den Lymphozyten gebildet und sind die Antikörper, die gemeinsam mit den Leukozyten eine wichtige Rolle bei der spezifischen Abwehr spielen. Neben der Schutz- und Abwehrfunktion transportieren sie auch Fette und Eisen und schützen das Häm vor dem Abbau. Ihr Anteil an den Plasmaproteinen beträgt 35%. Abb. 17 Zusammensetzung des Blutes 21 S i e Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017 4 Abbildungsverzeichnis Abb. 1 Blutsenkung, 1 Abb. 2 Hämoglobinmolekül, Campbell Essential Biology with Physiology 4th, S. 512 . 1 Abb. 3 Häm, von Wikipedia . 1 Abb. 4 rote Blutkörperchen Erythrozyten, Das Blut-Arbeitsheft, Blutspende SRK Schweiz, S. 8 2 Abb. 5 Phagozytose, Das Blut-Arbeitsheft, Blutspende SRK Schweiz, S. 9 . 3 Abb. 6 Thrombozyten, Das Blut-Arbeitsheft, Blutspende SRK Schweiz, S. 10 4 Abb. 7 Blutzellen eines Säugers, . 5 Abb. 8 Arteriosklerose, klerose/_jcr_content/par/delegatingabccontain/mainpar/delegatingabcimage.img.gif/Arterienverkalkung.gif . 5 Abb. 9 Differenzierung der Blutzellen, Markl Biologie, 2010 . 10 Abb. 10 Blutdoping, Markl Biologie, Arbeitsheft 11 Abb. 11 Gasaustausch in der Lunge, . 12 Abb. 12 Sauerstoffbindungskurve, . 12 Abb. 13 Roter Thrombus, . 14 Abb. 14 Karl Landsteiner, Entdecker des Blutgruppensystems, Wikipedia. 16 Abb. 15 Sensibilisierung bei der Schwangerschaft, 18 Abb. 16 Blutgruppen, Das Blut-Arbeitsheft, Blutspende SRK Schweiz, S. 20 20 Abb. 17 Zusammensetzung des Blutes, 21 Abb. 18 Hungerödem Bauch, 21 5 Literaturverzeichnis Campbell, N. A., Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Jackson, R. B. (2015). Campbell Biologie (10. Aufl.). Hallbergmoos/Germany: Pearson Studium. Klinke, R., Pape, H.-C., Kurtz, A., Silbernagl, S. (2009). Physiologie (6. Aufl.). Stuttgart: Thieme. Markl, J., Gemballa, S., Heinze, J., Kronberg, I., Michiels, N. K., Paulsen, H., Strauss, R. (2010). Markl Biologie Schülerband Oberstufe: 11./12. Schuljahr. Stuttgart: Klett. Markl, J., Nolte, M., Grümme, T., Krull, H.-P., Küttner, R. (2010). Markl Biologie Arbeitsbuch Oberstufe: 11./12. Schuljahr. Stuttgart: Klett. Pries, A. R., Tortora, G. J., Derrickson, B. H. (2006). Anatomie und Physiologie (1. Auflage). Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH Co. KGaA. Simon, E. J. (2012). [Campbell Essential Biology CAMPBELL ESSENTIAL BIOLOGY By Simon, Eric ( Author )Feb-09-2012 Paperback. Benjamin-Cummings Publishing Company. 22 S i e Gymnasium, Biologie GLF, V. Hughes, 2017