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Informationsverarbeitung im Nervensystem

Informationsverarbeitung im Nervensystem

 Biologie Abitur
1. Bau und Funktion der Nervenzelle
Der Körper des Menschen informiert sich mit Hilfe der Sinnesorgane und
des Nervensystem

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Lernzettel für das Abitur 2021 in Baden-Württemberg über den Themenbereich Neurobiologie

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Biologie Abitur 1. Bau und Funktion der Nervenzelle Der Körper des Menschen informiert sich mit Hilfe der Sinnesorgane und des Nervensystems über seine Umwelt. → Sinneszellen wandeln eintreffende Reize in elektrische Erregung um und Nervenzellen leiten diese elektrischen Signale weiter 1.1 Bau der Nervenzelle und der Nerven Bau einer Nervenzelle: Eine typische Nervenzelle (Neuron) lässt sich in folgende Abschnitte untergliedern: - Zellkörper (Soma): Enthält Zellkern - Axon (Neurit): Sehr langer Fortsatz der Nervenzelle, leicht verdickter Anfangsbereich (Axonhügel), endet in den Endknöpfchen - Dendriten: Kurze stark verzweigte Zellfortsätze, die die Erregung aufnehmen und in Richtung Zellkörper leiten Können an die Endknöpfchen von Axonen anderer Neuronen grenzen Synapsen Informationsverarbeitung im Nervensystem Schwann'sche Zelle mit Schwann'scher Scheide Zellmembran Zellplasma Zellkern Axonhügel Dendrit Zellkörper (Soma) Synapse Ranvier'scher Schnürring Axon (Neurit) End- knöpfchen - Axone übertragen Informationen vom Zentralnervensystem zu den Muskeln und Drüsen, als auch in der Gegenrichtung Von Sinnesorganen zum ZNS und zwischen den Zellen des Nervensystems Endknöpfchen eines Neurons können an die Dendriten oder an den Zellkörper anderer Nervenzellen sowie an Muskel- oder Drüsenzellen grenzen Richtung der Informationsübertragung in den Axonen ist streng festgelegt Erregung kann nur vom Zellkörper zu den Endknöpfchen weitergeleitet werden Bau der Nervenfasern: Schwann'sche Zellen umgeben Axone wie ein Schlauch Schützen, stützen und isolieren die Nervenzellen Bilden zusammen eine Nervenfaser Zwei Typen von Nervenfasern lassen sich unterscheiden - Myelinisierte Nervenfasern: Zellmembranen der Schwann´sche Zellen bilden einen flächigen Fortsatz, welcher sich um das Axon wickelt → Lipidreiche Hülle aus vielen Lagen von Membranen (Markscheide) Elektrische Isolation Ranvier'sche...

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Schnürringe: Lücken zwischen zwei Schwann'sche Zellen, bei denen die Axonmembran frei liegt und nicht isoliert ist - Nicht-myelinisierte Nervenfasern: Keine Ausbildung der Markscheide, keine Ranvier'sche Schnürringe 1111 11K Myelinscheide Ranvier'scher Schnürring -Schwann'sche Zelle Axon 1/12 Zellkern Schwann'sche Zelle Axon Biologie Abitur Bau der Nerven: Informationsverarbeitung im Nervensystem - Nerven bestehen aus mehreren Bündeln von Nervenfasern (Axone und Schwann'sche Zellen) Die Nerven sind von einer Hülle aus Bindegewebe umgeben und von Blutgefäßen durchzogen Bindegewebshülle Bündel von Nervenfasern Blutgefäß Schwann'sche Zelle Axon Nervenfaser 1.2 Entstehung des Ruhepotentials - Elektrische Vorgänge an Nervenzellen als Grundlage eines Signals - Nervenzelle hält das Ruhepotential ständig aufrecht - Signale entstehen, wenn sich das Ruhepotential ändert - Signalform ist das Aktionspotential - Voraussetzungen: Auf Innenseite der Membran höhere Konzentration von Kaliumionen (K*) und negative organische lonen (A-) Auf Außenseite der Membran mehr Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl-) Selektiv permeable Membran der Nervenzelle An Membran der Nervenzelle diffundieren Kaliumionen wegen ihres Konzentrationsgefälles durch die Proteinporen von innen nach außen Außenraum wird stärker elektrisch positiv, Innenraum negativ (elektrische Spannung, welche durch nach innen diffundierende Chloridionen verstärkt wird) - Um Ausgleich zu schaffen müssten jedem K+ ein A- folgen und pro hinaus diffundiertes K* müsste ein Na* hinein Membran lässt A¯ garnicht, und Na* kaum hindurch → Es kann kein Ausgleich stattfinden - Der Diffusion von Kaliumionen wirkt ein Zug entgegen (durch Anziehung entgegengesetzter geladener lonen und Abstoßung positiver Ladungen) Fließgleichgewicht, wenn Einstrom-Ausstrom Zellinnenraum negativ geladen Die Natrium-Kalium-Pumpe: 2/12 Nat-Leckstrom Geringe Mengen von Na* dringen ständig aus dem Außenraum in die Nervenzelle ein Natrium-Kalium-Aus Proteinmolekülen, transportiert eingedrungene Nat-Moleküle wieder nach Außen und K+-Moleküle wieder zurück nach Innen Pumpe - Mit jedem Na+ das in die Zelle gelangt, wird es einem K+ möglich nach Außen zu wandern (da Kräftegleichgewicht verändert wird) › Ruhepotential-Differenz wird immer geringer - Natrium-Kalium-Pumpe transportiert die lonen entgegen ihrem Konzentrationsgefälle → Aktiver Transportvorgang, läuft unter Verbrauch von ATP ab Benötigt etwa 20% des gesamten ATP-Umsatzes 3x Na* gegen 2x K* Biologie Abitur *** ATP booo ood & boo ooods Messung des Ruhepotentials: ADP Glaskapillare mit KCI-Lösung - Umgeben eines Riesenaxons (z.B. Axon eines Tintenfischs) mit Lösung, die die gleiche lonenkonzentration als die extrazelluläre Flüssigkeit im Organismus hat (physiologische Lösung) - Ladung wird durch Elektroden aus sehr feinen, mit einer Salzlösung gefüllten Glaskapillaren abgeleitet, verstärkt und mit Spannungsmessgerät angezeigt - Eine Elektrode wird in Nervenzelle gestochen, eine andere umgebende Flüssigkeit eingetaucht Potentialdifferenz wird gemessen → Bei etwa -70mV Verstärker Informationsverarbeitung im Nervensystem Spannungsmessgerät Bezugselektrode im Außenmedium .0 mV. -80 mV. Salzlösung Axon die 1.3 Entstehung des Aktionspotentials Aktionspotentiale Signale, die als Erregungsweiterleitung dienen Einflüsse der Umwelt auf Sinnesorgane, z.B. Licht, Temperatur, Druck oder Duftstoffe, die als Erregung von einer Nervenzelle weitergeleitet werden Reize Erregung 3/12 Änderung des Potentials einer Nerven- oder Sinneszelle - Geleitet werden immer nur die Erregung, die durch den Reiz ausgelöst wurde (Erregungsleitung) - Am Axon tritt Erregung als Aktionspotential auf Bedingungen für die Auslösung von Aktionspotentialen: Membranpotential des Axons muss an einer Stelle der Membran positiver werden → Potentialdifferenz muss sinken → Geschieht durch elektrische Einflüsse aus der nächsten Umgebung dieses Membranbereichs Generator-Potential: Membranelektrische Antwort der Rezeptoren auf einen Reiz Ein erstes AP auslösendes Potential durch Reizung von Sinneszellen → Sorgt für AP am Axonhügel Biologie Abitur Ablauf eines Aktionspotentials: Phase 1: Ruhepotential (-70 mV) Phase 2a: Depolarisierung durch einen Reiz Phase 2b: Depolarisierung bis zum Schwellenwert (-40 bis -45 mV) und bis zur Umkehrung der Ladungsverhältnisse (+30mV) Phase 3: Repolarisierung Informationsverarbeitung im Nervensystem - Spannungsgesteuerte Na+ und K+ Kanäle sind geschlossen - K+ Sickerkanäle ständig geöffnet Reiz öffnet einige Spannungsgesteuerte Natriumkanäle → Na+ Einstrom führt zu einer Depolarisierung Zellinnere wird positiver, Membranpotential weniger - Kettenreaktion: Es öffnen sich weitere Na+ lonenkanäle Depolarisierung verstärkt sich → Noch mehr Kanäle öffnen sich Positive Rückkopplung - Bei vollständiger Depolarisierung: Umkehrung der Ladungsverhältnisse im Vergleich zum Ruhepotential - Alles-oder-Nichts-Reaktion: APs werden in voller Größe nur dann ausgelöst, wenn die durch Reize ausgelöste Depolarisierung einen bestimmten Schwellenwert erreicht - Refraktärzeit: Nach dem Schließen der Natrium-Kanäle lassen sich die Kanäle für einige Millisekunden nicht mehr öffen - Für K+ lonen zeigt das Konzentrationsgefälle von Innen nach außen Zellinnere ist positiv geladen - Kaliumkanäle öffnen sich mit Verzögerung K+ lonen werden aus der Zelle getrieben - Es wird negativer im Zellinneren, Repolarisierung Phase 4: Hyperpolarisierung Phase 1: Wiederherstellung des Ruhepotentials Spannung in mV +40 -50 -70 -100 I Reiz 2 - Zusätzlich geöffnete K+ Kanäle schließen sich nur langsam ›K+ Ausstrom übersteigt Anzahl der eingeflossenen Na+ lonen, negativer als Ruhepotential - "Nachpotential" - Natrium-Kalium Pumpe transportiert unter ATP Verbrauch drei Natrium lonen nach außen und zwei Kalium lonen nach innen (pro Umdrehung) Depolarisation 4 Effektive Beförderung von positiver Ladung nach außen Reparisation Hyperpola- risation 6 Überschuss Zeit in ms 1 4/12 8 Schwellenwert Ruhepotenzial Biologie Abitur 1.4 Weiterleitung von Aktionspotentialen - Spannungsänderung eines APs führt zum Aufbau eines elektrischen Feldes, das benachbarte Bereiche der Membran beeinflusst - Ladungsausgleiche der erregten und unerregten Bereiche › (Ausgleichs-)Kreisstömchen - Membranpotential der Nachbarregion wird durch Kreisströme depolarisiert Nat-Kanäle öffnen sich, AP läuft ab Erregung schwächt sich durch die gleichstarken APs nicht ab › Ständige Wiedeverstärkung Zone: refraktär + + + + + + +(+) axonabwärts + + + + + + + (+). Ath Informationsverarbeitung im Nervensystem erregt HA +++ ++ ++ + Aktionspotenzial + + + + + + + Kreisströmchen löst kein AP aus noch unerregt + + + Kreisströmchen löst neues AP aus Festlegung der Wanderungsrichtung durch die Refraktärphase: - Ein AP kann nur den axon-abwärts liegenden Bereich der Membran zur Bildung eines neuen APS anregen › Axonaufwärtige Membranabschnitt in der Refraktärphase - Weitere APs können sich nur in eine Richtung bilden Saltatorische Erregungsleitung an myelinisierten Nervenfasern: - In markhaltigen Fasern kann nur an den Ranvier´schen Schnürringen ein AP entstehen Myelinschicht verhindert lonenwanderung durch Membran der Zelle - APs springen von einem Ranvier´schen Schnürring zum nächsten › Erregungsleitung deutlich beschleunigt - Oft bei Wirbeltieren → Schnelle Reaktionen, z. B. bei Flucht depolarisierter Bereich Membran Zytoplasma Membran Myelinscheide + + + + Ranvier'scher Schnürring- 5/12 ++ ++ Kontinuierliche Erregungsleitung an nicht-myelinisierten Nervenfasern: - Jeder Bereich der Membran muss bei der Fortleitung der Erregung zur Bildung eines APs angeregt werden. Beschleunigung der kontinuierlichen Erregungsleitung nur durch Erhöhung des Durchmessers möglich (Depolarisation erreicht weiter entfernte Bereiche) Hoher Materialaufwand, hoher Energiebedarf

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Licht, Temperatur, Druck oder Duftstoffe, die als Erregung von einer Nervenzelle weitergeleitet werden Reize Erregung 3/12 Änderung des Potentials einer Nerven- oder Sinneszelle - Geleitet werden immer nur die Erregung, die durch den Reiz ausgelöst wurde (Erregungsleitung) - Am Axon tritt Erregung als Aktionspotential auf Bedingungen für die Auslösung von Aktionspotentialen: Membranpotential des Axons muss an einer Stelle der Membran positiver werden → Potentialdifferenz muss sinken → Geschieht durch elektrische Einflüsse aus der nächsten Umgebung dieses Membranbereichs Generator-Potential: Membranelektrische Antwort der Rezeptoren auf einen Reiz Ein erstes AP auslösendes Potential durch Reizung von Sinneszellen → Sorgt für AP am Axonhügel Biologie Abitur Ablauf eines Aktionspotentials: Phase 1: Ruhepotential (-70 mV) Phase 2a: Depolarisierung durch einen Reiz Phase 2b: Depolarisierung bis zum Schwellenwert (-40 bis -45 mV) und bis zur Umkehrung der Ladungsverhältnisse (+30mV) Phase 3: Repolarisierung Informationsverarbeitung im Nervensystem - Spannungsgesteuerte Na+ und K+ Kanäle sind geschlossen - K+ Sickerkanäle ständig geöffnet Reiz öffnet einige Spannungsgesteuerte Natriumkanäle → Na+ Einstrom führt zu einer Depolarisierung Zellinnere wird positiver, Membranpotential weniger - Kettenreaktion: Es öffnen sich weitere Na+ lonenkanäle Depolarisierung verstärkt sich → Noch mehr Kanäle öffnen sich Positive Rückkopplung - Bei vollständiger Depolarisierung: Umkehrung der Ladungsverhältnisse im Vergleich zum Ruhepotential - Alles-oder-Nichts-Reaktion: APs werden in voller Größe nur dann ausgelöst, wenn die durch Reize ausgelöste Depolarisierung einen bestimmten Schwellenwert erreicht - Refraktärzeit: Nach dem Schließen der Natrium-Kanäle lassen sich die Kanäle für einige Millisekunden nicht mehr öffen - Für K+ lonen zeigt das Konzentrationsgefälle von Innen nach außen Zellinnere ist positiv geladen - Kaliumkanäle öffnen sich mit Verzögerung K+ lonen werden aus der Zelle getrieben - Es wird negativer im Zellinneren, Repolarisierung Phase 4: Hyperpolarisierung Phase 1: Wiederherstellung des Ruhepotentials Spannung in mV +40 -50 -70 -100 I Reiz 2 - Zusätzlich geöffnete K+ Kanäle schließen sich nur langsam ›K+ Ausstrom übersteigt Anzahl der eingeflossenen Na+ lonen, negativer als Ruhepotential - "Nachpotential" - Natrium-Kalium Pumpe transportiert unter ATP Verbrauch drei Natrium lonen nach außen und zwei Kalium lonen nach innen (pro Umdrehung) Depolarisation 4 Effektive Beförderung von positiver Ladung nach außen Reparisation Hyperpola- risation 6 Überschuss Zeit in ms 1 4/12 8 Schwellenwert Ruhepotenzial Biologie Abitur 1.4 Weiterleitung von Aktionspotentialen - Spannungsänderung eines APs führt zum Aufbau eines elektrischen Feldes, das benachbarte Bereiche der Membran beeinflusst - Ladungsausgleiche der erregten und unerregten Bereiche › (Ausgleichs-)Kreisstömchen - Membranpotential der Nachbarregion wird durch Kreisströme depolarisiert Nat-Kanäle öffnen sich, AP läuft ab Erregung schwächt sich durch die gleichstarken APs nicht ab › Ständige Wiedeverstärkung Zone: refraktär + + + + + + +(+) axonabwärts + + + + + + + (+). Ath Informationsverarbeitung im Nervensystem erregt HA +++ ++ ++ + Aktionspotenzial + + + + + + + Kreisströmchen löst kein AP aus noch unerregt + + + Kreisströmchen löst neues AP aus Festlegung der Wanderungsrichtung durch die Refraktärphase: - Ein AP kann nur den axon-abwärts liegenden Bereich der Membran zur Bildung eines neuen APS anregen › Axonaufwärtige Membranabschnitt in der Refraktärphase - Weitere APs können sich nur in eine Richtung bilden Saltatorische Erregungsleitung an myelinisierten Nervenfasern: - In markhaltigen Fasern kann nur an den Ranvier´schen Schnürringen ein AP entstehen Myelinschicht verhindert lonenwanderung durch Membran der Zelle - APs springen von einem Ranvier´schen Schnürring zum nächsten › Erregungsleitung deutlich beschleunigt - Oft bei Wirbeltieren → Schnelle Reaktionen, z. B. bei Flucht depolarisierter Bereich Membran Zytoplasma Membran Myelinscheide + + + + Ranvier'scher Schnürring- 5/12 ++ ++ Kontinuierliche Erregungsleitung an nicht-myelinisierten Nervenfasern: - Jeder Bereich der Membran muss bei der Fortleitung der Erregung zur Bildung eines APs angeregt werden. Beschleunigung der kontinuierlichen Erregungsleitung nur durch Erhöhung des Durchmessers möglich (Depolarisation erreicht weiter entfernte Bereiche) Hoher Materialaufwand, hoher Energiebedarf