Aufbau und Funktion der Nervenzelle

Die Nervenzelle (Neuron) ist die Grundeinheit unseres Nervensystems und für Informationsübertragung und -verarbeitung verantwortlich. Ihr Aufbau ist perfekt an diese Funktionen angepasst.

Ein Neuron besteht aus mehreren wichtigen Strukturen: Die Dendriten empfangen Signale von anderen Nervenzellen und leiten sie zum Zellkörper (Soma) weiter. Das Soma enthält den Zellkern und alle wichtigen Zellorganellen für den Stoffwechsel. Das Axon ist eine lange Fortsetzung, die Aktionspotentiale vom Soma wegleitet. An seinem Ende befinden sich die Synapsen, die für die Informationsübertragung auf andere Zellen sorgen.

Besonders auffällig sind die Myelinscheiden, die von Schwann-Zellen gebildet werden und das Axon umhüllen. Sie sind durch die Ranvierschen Schnürringe unterbrochen. Diese Struktur spielt eine entscheidende Rolle bei der schnellen Erregungsleitung.

💡 Merke dir: Die Nervenzelle ist spezialisiert auf Informationsverarbeitung. Ihre Dendriten nehmen Signale auf, das Axon leitet sie weiter, und die Synapsen übertragen sie auf andere Zellen.

Ruhepotential und Aktionspotential

Das Ruhepotential einer Nervenzelle liegt bei etwa -70 mV. Dabei ist das Zellinnere negativ geladen, während außen mehr positive Ionen (vor allem Na⁺) vorhanden sind. Im Ruhezustand sind die Kalium-Kanäle geöffnet, während Natrium- und Chlorid-Kanäle geschlossen bleiben.

Die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials erfolgt durch die Na⁺/K⁺-Pumpe. Sie transportiert unter ATP-Verbrauch drei Natrium-Ionen nach außen und zwei Kalium-Ionen nach innen, was die Ladungsverteilung stabilisiert.

Beim Aktionspotential kommt es zu einer schnellen Änderung des Membranpotentials, die in mehreren Phasen abläuft:

1. Depolarisation: Spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle öffnen sich, Na⁺ strömt ein
2. Repolarisation: Na⁺-Kanäle schließen sich, K⁺-Kanäle öffnen sich verzögert
3. Hyperpolarisation: Überschießen ins Negative durch erhöhten K⁺-Ausstrom

Aktionspotentiale folgen dem Alles-oder-Nichts-Prinzip - sie werden nur ausgelöst, wenn ein Schwellenwert erreicht wird, und haben immer die gleiche Amplitude (ca. 30 mV).

💡 Wichtig für die Klausur: Das Aktionspotential ist immer gleich stark, unabhängig von der Reizstärke. Die Reizstärke wird stattdessen durch die Frequenz der Aktionspotentiale codiert!

Erregungsleitung in Nervenzellen

Es gibt zwei Arten der Erregungsleitung in Nervenzellen: die kontinuierliche und die saltatorische.

Bei der kontinuierlichen Erregungsleitung breitet sich das Aktionspotential Schritt für Schritt über die gesamte Membran aus. Nach Erreichen des Schwellenwerts am Axonhügel öffnen sich spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle, was zum Aktionspotential führt. Durch Ausgleichsströmchen werden benachbarte Na⁺-Kanäle geöffnet, wodurch sich das Signal fortpflanzt. Diese Art der Leitung ist relativ langsam.

Die saltatorische Erregungsleitung findet in myelinisierten Axonen statt. Hier "springt" das Aktionspotential von einem Ranvierschen Schnürring zum nächsten. Da die Myelinscheide als Isolator wirkt, können sich die Ionen leichter bewegen und die Erregungsleitung erfolgt bis zu 120 m/s schnell. Diese Form der Leitung ist energiesparender, da weniger Na⁺-Kanäle aktiviert werden müssen.

Der Durchmesser des Axons beeinflusst die Geschwindigkeit der Erregungsleitung: Je größer der Durchmesser, desto geringer sind die Ladungsverluste und desto schneller erfolgt die Weiterleitung.

💡 Prüfungstipp: Die saltatorische Erregungsleitung ist etwa 10-mal schneller als die kontinuierliche und verbraucht weniger Energie – ein perfektes Beispiel für evolutionäre Anpassung!

Informationscodierung in Nervenzellen

Die Informationscodierung im Nervensystem erfolgt über Aktionspotentiale als "Transportcode". Da Aktionspotentiale immer gleich ablaufen, kann die Reizstärke nicht durch die Amplitude codiert werden.

Stattdessen wird die Information über die Frequenz der Aktionspotentiale übermittelt – je stärker der Reiz, desto höher die Frequenz der ausgelösten Aktionspotentiale. Man spricht daher von Frequenzcodierung. Solange der Reiz andauert, werden Aktionspotentiale generiert.

Bei der saltatorischen Erregungsleitung entstehen Aktionspotentiale nur an den Ranvierschen Schnürringen, wo sich die spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle befinden. Die überschüssige positive Ladung an der erregten Stelle erzeugt Ausgleichsströmchen, die zur Depolarisation an benachbarten Schnürringen führen.

Die Myelinscheide spielt dabei eine entscheidende Rolle: Sie verhindert den Ionenaustausch über die Membran und sorgt dafür, dass sich die Erregung schneller ausbreitet. Dies hat zwei wichtige Vorteile: Die Erregungsleitung erfolgt schneller und es wird weniger Stoffwechselenergie verbraucht, da weniger Aktionspotentiale erzeugt werden müssen.

💡 Verstehe den Unterschied: Bei der kontinuierlichen Erregungsleitung werden viele Aktionspotentiale entlang des Axons ausgelöst, während bei der saltatorischen Erregungsleitung die Aktionspotentiale "springen", was Zeit und Energie spart.

Informationsübertragung an Synapsen

An den Synapsen wird die elektrische Information des Aktionspotentials in ein chemisches Signal umgewandelt. Dieser Prozess läuft an der chemischen Synapse in mehreren Schritten ab:

1. Ein Aktionspotential erreicht die präsynaptische Endigung
2. Spannungsgesteuerte Ca²⁺-Kanäle öffnen sich
3. Calcium-Ionen strömen ein und bewirken die Fusion von Vesikeln mit der Membran
4. Neurotransmitter (z.B. Acetylcholin) werden in den synaptischen Spalt freigesetzt
5. Sie diffundieren zur postsynaptischen Membran und binden an Rezeptoren
6. Ionenkanäle öffnen sich, was zu Potentialänderungen führt

Es gibt zwei Arten von postsynaptischen Potentialen: Das erregende postsynaptische Potential (EPSP) entsteht durch Na⁺-Einstrom und führt zur Depolarisation. Das hemmende postsynaptische Potential (IPSP) entsteht durch K⁺-Ausstrom oder Cl⁻-Einstrom und führt zur Hyperpolarisation.

Anders als Aktionspotentiale können EPSPs und IPSPs in ihrer Amplitude variieren und addieren sich. Erreicht die Summe am Axonhügel den Schwellenwert, wird ein Aktionspotential ausgelöst.

💡 Wichtig zu wissen: Synapsen sind entweder erregend oder hemmend – nicht beides! Die Wirkung hängt vom ausgeschütteten Neurotransmitter und den Rezeptoren der postsynaptischen Membran ab.

Verrechnung an Synapsen

Die Verrechnung an Synapsen ist ein entscheidender Prozess für die Informationsverarbeitung im Nervensystem. Dabei gibt es zwei Hauptmechanismen: räumliche und zeitliche Summation.

Bei der räumlichen Summation werden Signale von verschiedenen Synapsen gleichzeitig verrechnet. Wenn mehrere erregende Synapsen an unterschiedlichen Stellen des Neurons aktiv sind, addieren sich ihre EPSPs. Einzelne unterschwellige Signale können so gemeinsam den Schwellenwert erreichen und ein Aktionspotential auslösen.

Die zeitliche Summation tritt auf, wenn über eine einzelne Synapse mehrere Signale kurz nacheinander eintreffen. Die EPSPs überlagern sich zeitlich und können so den Schwellenwert überschreiten.

EPSPs und IPSPs können sich gegenseitig überlagern und verrechnen. Dabei kann ein IPSP die Wirkung eines EPSP abschwächen oder aufheben. Dies ermöglicht eine komplexe Verarbeitung von Informationen.

Der Vergleich zwischen Aktionspotential und postsynaptischem Potential zeigt wichtige Unterschiede:

• Aktionspotentiale entstehen am Axonhügel, postsynaptische Potentiale an Dendriten/Zellkörper
• Reizstärke wird bei Aktionspotentialen durch Frequenz, bei postsynaptischen Potentialen durch Amplitude codiert
• Nur Aktionspotentiale haben eine Refraktärzeit
• Aktionspotentiale werden saltatorisch weitergeleitet, postsynaptische Potentiale breiten sich über den Zellkörper aus

💡 Prüfungstipp: An Synapsen findet ein Codewechsel statt: Das elektrische Signal (Aktionspotential) wird in ein chemisches Signal (Neurotransmitter) und dann wieder in ein elektrisches Signal (postsynaptisches Potential) umgewandelt.

Synapsengifte und elektrische Synapsen

Synapsengifte können die Informationsübertragung an Synapsen stören oder blockieren. Je nach Wirkungsort unterscheidet man verschiedene Typen:

Gifte, die an der präsynaptischen Membran wirken:

• Conotoxin blockiert Ca²⁺-Kanäle und vermindert die Transmitterausschüttung
• Botox spaltet Fusionsproteine der Vesikel und verhindert die Exozytose
• Nicotin imitiert Acetylcholin und aktiviert bestimmte Rezeptoren

Gifte, die an der postsynaptischen Membran wirken:

• Curare bindet an nicotinische Rezeptoren, ohne sie zu aktivieren
• Muscarin aktiviert Acetylcholin-Rezeptoren dauerhaft, da es nicht abgebaut werden kann

Gifte, die die Acetylcholinesterase hemmen:

• Fasciculin verlängert die Transmitterwirkung durch Hemmung des Enzyms

Neben chemischen Synapsen gibt es auch elektrische Synapsen. Bei diesen sind die Membranen der prä- und postsynaptischen Zellen durch sogenannte Gap Junctions verbunden. Diese Porenproteine ermöglichen einen direkten Ionenfluss zwischen den Zellen.

Elektrische Synapsen haben mehrere Vorteile:

• Verzögerungsfreie, schnelle Reizleitung
• Informationsübertragung in beide Richtungen möglich

💡 Interessant zu wissen: Botox wird in der Kosmetik eingesetzt, um Falten zu reduzieren. Es lähmt gezielt Muskeln, indem es die Freisetzung von Neurotransmittern verhindert.

Rezeptortypen und Sinneswahrnehmung

Rezeptor- oder Sinneszellen sind spezialisierte Zellen, die auf bestimmte Reize reagieren und diese in elektrische Signale umwandeln. Es gibt vier Haupttypen:

1. Fotorezeptoren reagieren auf Licht. Bei Wirbeltieren führt der Lichteinfang über eine Signalkaskade zum Schließen von Na⁺-Kanälen.

2. Thermorezeptoren reagieren auf Temperaturänderungen. Ein Beispiel sind Wärmerezeptoren, die bei Temperaturen über 43°C oder durch Capsaicin aktiviert werden.

3. Mechanorezeptoren reagieren auf mechanische Reize wie Druck oder Dehnung. Die Dehnung der Membran öffnet spezielle Ionenkanäle, z.B. im Innenohr oder in der Haut.

4. Chemorezeptoren reagieren auf chemische Substanzen. Ein Beispiel ist der Zuckerrezeptor, bei dem die Zuckerbindung über eine Signalkaskade K⁺-Kanäle schließt.

Wenn ein Reiz auf einen Rezeptor trifft, verändert sich das Ruhepotential und es entsteht ein Rezeptorpotential. Die Amplitude dieses Potentials bildet die Intensität des Reizes ab – je stärker der Reiz, desto größer das Rezeptorpotential.

Es gibt verschiedene Typen von Sinneszellen:

• Primäre Sinneszellen (Sinnesnervenzellen) mit eigenem Axon
• Sekundäre Sinneszellen ohne eigenes Axon, aber mit Synapse zu nachgeschalteten Neuronen
• Freie Nervenendigungen, bei denen Dendriten zum Ort der Reizaufnahme gesandt werden

💡 Merke dir: Die Umwandlung eines Reizes in ein elektrisches Signal wird als Transduktion bezeichnet. Jeder Rezeptortyp nutzt dafür spezifische Mechanismen.

Der Riechvorgang

Der Riechsinn gehört zu unseren ältesten Sinnen und ist eng mit dem limbischen System verbunden. Die Riechrezeptoren befinden sich in der Riechschleimhaut in der oberen Nasenhöhle.

Die Riechzellen sind primäre Sinneszellen mit eigenen Axonen. Ihre Zilien ragen in die Schleimschicht, wo sie mit Duftstoffen in Kontakt kommen. Der Riechvorgang läuft in mehreren Schritten ab:

1. Ein Duftstoffmolekül bindet nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an den passenden Duftrezeptor
2. Dies führt zur Aktivierung eines G-Proteins
3. Die Adenylatcyclase wird aktiviert und bildet cAMP
4. cAMP öffnet CNG-Kanäle, wodurch Na⁺ und Ca²⁺ einströmen
5. Es entsteht ein depolarisierendes Rezeptorpotential
6. Ca²⁺ verstärkt die Depolarisation durch Bindung an Cl⁻-Ionenkanäle

Das Rezeptorpotential erzeugt Aktionspotentiale, die über die Axone der Riechzellen zum Riechkolben geleitet werden. Diese Axone passieren die Siebplatte und bilden den Riechnerv. Im Riechkolben werden die Signale verarbeitet und über die Riechbahn zur Riechrinde weitergeleitet.

💡 Spannend zu wissen: Jeder Mensch hat etwa 400 verschiedene Geruchsrezeptortypen, mit denen wir jedoch bis zu 10.000 verschiedene Gerüche unterscheiden können. Dies liegt an der kombinatorischen Codierung – ein Duftstoff aktiviert mehrere Rezeptortypen in unterschiedlicher Stärke.

Aufbau des Auges und der Retina

Das Auge ist ein komplexes Sinnesorgan mit mehreren funktionellen Schichten. Außen liegt die schützende Lederhaut, gefolgt von der Aderhaut, die das Auge mit Nährstoffen versorgt. Die innerste Schicht ist die Netzhaut (Retina), die die Lichtsinneszellen enthält.

Weitere wichtige Strukturen sind:

• Die Hornhaut und Linse, die das Licht bündeln
• Die Regenbogenhaut (Iris) mit der Pupille, die den Lichteinfall reguliert
• Der Glaskörper, der für die Struktur des Auges wichtig ist
• Der gelbe Fleck (Makula), der die Stelle des schärfsten Sehens darstellt
• Der blinde Fleck, wo der Sehnerv das Auge verlässt

Die Retina besteht aus mehreren Schichten von Nervenzellen:

1. Fotorezeptoren (Stäbchen und Zapfen), die Licht in elektrische Signale umwandeln
2. Horizontalzellen, die Querverbindungen zwischen Sehzellen herstellen
3. Bipolarzellen, die Signale weiterleiten
4. Amakrinzellen, die Signale mehrerer Bipolarzellen zusammenfassen
5. Ganglienzellen, deren Axone den Sehnerv bilden

Die Stäbchen sind für das Hell-Dunkel-Sehen verantwortlich und sehr lichtempfindlich. Die Zapfen ermöglichen das Farbsehen und konzentrieren sich vor allem im gelben Fleck.

💡 Wichtig für das Verständnis: In der Retina läuft die Information entgegen der Lichtrichtung. Das Licht muss erst alle Nervenzellschichten durchdringen, bevor es auf die Fotorezeptoren trifft.