Neurobiologie

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Wasser) Sorgt für die Form des Auges und legt den Abstand zwischen der Netzhaut und der Iris fest Hornhaut: ÄuOerste, weiße Hautschicht, die das Auge umgibt Schutz des Auges -> freigelassene Stelle ist die Hornhaut und der Sehnerv Regenbogenhaut (Iris): Harte, durchsichtige Augenhaut Mit Tränenflüssigkeit benetzt -> Schutzfunktion Sie bricht den einfallenden Lichtstrahl Ringförmiger Muskel, farbige Blende des Auges Farbpigmente dichten die Iris ab, damit das Licht nur durch die Pupille einfällt -> reguliert die Weite der Pupille und die Menge des einfallenden Lichts Pupille: ● Schwarzes Loch und Öffnung zur Mitte der Iris Passt sich gewissen Lichtverhältnissen an Hell verkleinert Dunkel = vergrößert Linse: ● Sehnerv: ● Netzhaut: ● Schärfeanpassung / Akkomodation durch die Brechkraft Bündelt enfallendes Licht, sodass auf der Netzhaut ein scharfes Bild entsteht Leitet visuelle Informationen von der Netzhaut zum Gehirn weiter Es ist ein Bündel aus Nervenfasern Zonulafasern: ● Innerste Schicht des Auges und extrem lichtempfindlich Besetzt mit ca. 127 Mio. Lichtrezeptoren Lichtinformationen werden kombiniert und sortiert Ciliarmuskel: Fixiert die Linse an der Innenseite des Ciliarmuskel Entspannter Ciliarmuskel → Spannung der Zonulafasern → flache Linse (gut für weites Sehen) Angespannter Ciliarmuskel → schlaffe Zonulafasern → kugelförmige Linse (gut für nahe Sicht) ● Er ist ringförmig, umgibt die Linse und ist mit den Zonulafasern verbunden Produktion von Kammerwasser und Aufgabe der Akkommodation Augenkammer: Vordere → Lücke zwischen Linse und Iris Hintere → begrenzt durch Linse und Iris Aderhaut: Mittelschicht zwischen Lederhaut und Netzhaut Versorgt äußere Schicht der Netzhaut mit Sauerstoff Gelber Fleck: Liegt im Zentrum der Netzhaut Ort des schärfsten Sehens (meisten Lichtrezeptoren) ● Beide sind gefüllt mit Kammerwasser Nährung der Linse und Hornhaut Stabilisiert die Augenform Blinder Fleck: ● Austrittsstelle des Sehnervs aus der Netzhaut und des Auges, ins Gehirn hinein Es befinden sich dort keine Lichtrezeptoren → kein Bild an diesem Punkt Hier liegen die meisten Zapfen Größte Sehschärfe und Farbempfindlichkeit Nervenzellen des Auges: In der Netzhaut liegen die Sinneszellen und die Nervenzellen, welche das vom dioptrischen Apparat erzeugten Bild aufnehmen, in Aktionspotentiale umwandeln und über den Sehnerv zum Gehirn übermitteln. Die Netzhaut liegt im hinteren Teil des Auges und ist in vier hintereinanderliegende zellschichten unterteilt. Jede Schicht hat ihre eigene Aufgabe. Die erste Schicht liegt außen zur Aderhaut hin und ist die Pigmentepithelschicht, welche Pigmentzellen enthält. Die dort eingelagerten dunklen Farbpartikel absorbieren überschüssiges Licht. Sie verhindern auch, dass das Licht innerhalb des Auges nicht reflektiert. Aufbau der Netzhaut 3. Bipolarzellschicht 4. Ganglienzellschicht 1. Pigmentepithel 2. Photorezeptorschicht Die zweite Schicht ist die Fotorezeptorschicht, mit den enthaltenden Lichtsinneszellen. Man unterscheidet zwischen Stäbchen und Zapfen. Beide Lichtsinneszellen wandeln die eintreffende Lichtenergie, die ins Auge fällt in elektrische Signale um und übersetzen diese in die Sprache der Nervenzellen. Dies wird auch als Fototransduktion bezeichnet. Stäbchen: Stäbchen synaptische Endigung Zapfen Biporalzell ● -Glutamat-abhängiger Die Stäbchen (ca. 125 Mio.) ermöglichen das Hell-Dunkel-Sehen. Eine geringe Lichtmenge reicht schon aus, sodass wir in der Dämmerung oder in der Nacht schwarz/weiß sehen können. Grund ist das Sehpigment Rhodopsin, welches in den Disks enthalten ist. Trifft Licht auf Rhodopsin kommt es zu einer Spaltung durch eine chemische Reaktion, wodurch Sinneszellen aktiviert werden und durch das Signal einen Nervenimpuls auslöst. Bis zur nächsten Spaltung eines Lichtimpulses, müssen sich die Sehpigmente erst wieder regenerieren. Die dritte Schicht ist die Bipolarschicht, welche die Sinneszellen mit der Ganglienschicht verbindet. Die Informationen der Zapfen und Stäbchen werden gebündelt und anschließend weitergeleitet. Die vierte und letzte Schicht, ist die Ganglienzellschicht, welche die Informationen über das Licht in elektrische Signale umwandelt, um diese weiterzuleiten. Die Enden der Ganglienzellen (Axone) bilden zusammen den Sehnerv, welcher aus dem Auge direkt ins Gehirn geht und die Signale weiterleitet. ● A Na B Seitlich zu den Zellschichten verlaufen die Horizontalzellen und Amakrinzellen. Horizontalzellen: Sie verbinden mehrere Lichtsinneszellen miteinander und können die Lichtempfindlichkeit der Nachbarzellen erhöhen. Dies verbessert die Kontrastwahrnehmung von hell und dunkel. Axon Zellkern (Aw Burunds Comm Membranpotential von Stäbchen und Bipolarzellen im Licht und im Dunkeln: Die Zapfen und Stäbchen unterschieden sich deutlich von anderen Sinneszellen, denn der eintreffende Reiz führt nicht zur Erhöhung des Membranpotentials, sondern es sinkt. Cilium Glutamat 0,2 04 06 Disks Amakrinzellen: Diese verbinden die Bipolarzellen mit den Ganglienzellen. Zudem passen sie die Lichtempfindlichkeit an die Stärke der Beleuchtung an. 02 04 06 Na' Zapfen: Die Zapfen (ca. 6 Mio.) sind für das Farbsehen zuständig. Das Sehpigment Photopsin ist bei Licht sehr aktiv und es ist für das Farbsehen zuständig. Unterteilt werden die Zapfen in drei unterschiedliche Zapfentypen. Rote, grüne und blaue Zapfen. Diese reagieren jeweils nur auf grünes, rotes oder blaues Licht. Zudem sind sie von sogenannten Wellenlängen abhängig, da jede Farbe ihre eigene Wellenlänge hat, worauf das Auge reagiert. Licht FETERITORT RARITIM 00000 2 lonenströme und Membranpotentiale eines Stäbchens. A im Dunkeln; B bei Belichtung Bei Dunkelheit befinden sich die meisten Fotorezeptoren in einem unerregten Zustand. Die Natrium-Ionenkanäle sind geöffnet und weisen durch den Einstrom von Natrium ein geringes Membranpotential auf. Dieser Einstrom wird auch als Dunkelstrom bezeichnet. Bei einem Neuron liegt das Ruhepotential bei -70mV und bei einem Stäbchen bei völliger Dunkelheit bei -30mV. Im Ruhezustand wird permanent der Neurotransmitter Glutamat durch die Präsynapse zwischen einem Stäbchen und der nachgeschalteten Bipolarzelle freigesetzt. Fällt nun Licht ins menschliche Auge, schließen sich die Natrium-Ionenkanäle. Das Potential der Zelle steigt an und es kommt zu einer Hyperpolarisation. Dadurch wird die Aktivität des Rezeptors gehemmt, sodass weniger Transmitter freigesetzt werden. Durch die Rückläufige Ausschüttung von Glutamat werden die lonenkanäle von der Bipolarzelle geöffnet. Der Impuls von den Fotorezeptoren wird nun über die offenen Kanäle an die Nervenzellen übertragen, wodurch die Ganglienzellen und Amakrinen Zellen aktiviert werden. Das Signal wird nun an das Gehirn weitergeleitet. Biochemische Reaktion bei Hell und Dunkel: In den Stäbchen das Sehpigment Rhodopsin eingelagert. In einem Außensegment der Lichtsinneszelle gibt es etwa 50 Mio. Rhodopsinmoleküle, welche ein Opsin-Protein und ein lichtabsorbierendes Molekül, dem Retinal enthalten. Das Retinal ist in dem Protein eingelagert und kommt in zwei Formen vor. Bei Dunkelheit liegt fast nur 11-cis-Retinal vor. Durch Belichtung wird es in all-trans-Retinal umgewandelt. Diese Konformationsänderung löst eine sogenannte Signalkaskade aus, was eine Änderung des Membranpotentials zur Folge hat. Na O CGMP-abhängiger Natrium-Ionenkanal GMP Disk- membran- GMP CGMP Rhodopsin CGMP GMP 11-cis-Retinal o 3 Fototransduktion in einem Stäbchen. A im Dunkeln; B bei Belichtung all-trans-Retinal Stäbchenmembran- CGMP-abhängiger Natrium-lonenkanal- (GMP CGMP CGMP -signalver mittelndes Protein -Enzym ONa* O B Dies ist der erste Schritt der Fototransduktion. Rhodopsin geht in den aktiven Zustand über und setzt eine Reaktionskaskade in Gang. Ein einziges Rhodopsin-Molekül aktiviert mithilfe von [signalvermittelnden] Proteins 100 Enzym-Moleküle, die pro Sekunde jeweils mehrere Tausend cGMP-Moleküle in GMP umwandeln. Im Außensegment des Stäbchens sinkt die Konzentration von CGMP sehr schnell. Zur Folge hat es die Schließung von CGMP abhängigen Natrium-Ionenkanälen und das Membranpotential sinkt. Zudem wird an der Präsynapse des Stäbchens kein weiteres Glutamat mehr ausgeschüttet. Nach der Aktivierung wird Rhodopsin in Opsin und Retinal umgewandelt. Bevor es zur erneuten Reaktionskaskade kommt, muss sich das Rhodopsin erst regenerieren. Diese Fototransduktion verläuft in den Zapfen und Stäbchen gleich ab. Der einzige Unterschied ist, dass die Fotopigmente auf Licht unterschiedlicher Wellenlängen reagieren. Hormonelle Kommunikation: Funktion des Hormonsystems: Hormone beeinflussen Entwicklungsvorgänge und nahezu alle Organfunktionen. Sie sind auch an der Steuerung der Embryonalentwicklung beteiligt. So wirken z.B. Testosteron und das daraus gebildete Dehydrotestosteron entscheidend an der embryonalen Geschlechtsentwicklung mit. Nach Bildung an spezifische Rezeptoren beeinflussen sie die Genexpression. Ohne diese Wirkung entwickelt sich äußerlich ein weiblicher Phänotyp. Sind die Rezeptoren defekt, wird Testosteron zwar produziert, wirkt jedoch nicht auf die Zielzellen. Hormon- und Nervensystem: Das Bindeglied zwischen Hormon- und Nervensystem ist der Hypothalamus, der im Zusammenwirken mit der Hypophyse die Aktivität endokriner Organe und Gewebe mit dem Nervensystem abstimmt und die Hormonkonzentration im Blut reguliert. Das Nervensystem kann die Aktivität von Organen und Geweben schnell und gezielt über Nervenbahnen verändern. Hormone können dagegen über das Blut im gesamten Körper verteilt werden. Bei beiden Systemen löst die Bildung eines Moleküls (Neurotransmitter bzw. Hormone) einen spezifischen Rezeptor die Reaktion in der Zielzelle aus. Während jedoch Aktionspotentiale im Nervensystem schnell und kurz wirken, sind mit dem Hormonsystem länger anhaltende Wirkungen möglich. Spezifität der Hormonwirkung: Hormone sind wirkungsspezifisch, aber nicht artspezifisch. So ist z.B. die blutzuckersenkende Wirkung des Insulins nicht nur für den Menschen, sondern für alle Wirbeltiere lebenswichtig. Auch die Schilddrüsenhormone haben bei vielen Tierarten ähnliche Funktionen wie beim Menschen. Vermittlung von Informationen durch Hormone im menschlichen Körper: Die Informationsübermittlung des Nervensystems wird durch das Hormonsystem ergänzt. Es steuert und regelt die Zusammenarbeit von Organen im Körper. Die Informationen werden über chemische Signalstoffe, die Hormone, vermittelt, die schon in kleinen Mengen wirksam sind. Hormone sind Botenstoffe, die meist über den Blutkreislauf in alle Organe und Gewebe des Körpers transportiert werden. Manche wirken ohne Transport über die Blutbahn direkt auf benachbarte Zellen (Gewebshormone). Nur bestimmte Zellen reagieren auf Hormonmoleküle. Ob Hormone auf eine Zelle wirken, hängt von speziellen Molekülen ab, die man als Rezeptoren bezeichnet. Zellen mit den Rezeptoren für ein bestimmtes Hormon, werden auch als Zielhormon bezeichnet. Hormonmolekül und Rezeptor passen aufgrund ihrer Oberflächenstruktur zueinander, sodass sie dem Schlüssel-Schloss- Prinzip entsprechend für eine bestimmte Zeit aneinander bleiben. Der dabei entstehende Hormon-Rezeptor-Komplex leitet die Hormonwirkung ein, indem er bestimmte zellspezifische Vorgänge auslöst. Signalübertragung durch Hormone: Vorab: Hormone werden zunächst in die Interzellularflüssigkeit ausgeschüttet. Von dort aus gelangen sie in die Blutgefäße, werden transportiert, verlassen in verschiedenen Geweben die Blutgefäße wieder und gelangen so auch in die Interzellularflüssigekit der Zielgewebe. Zwischen der Ausschüttung eines Hormons und seiner Ankunft an der Zielzelle vergeht einige Zeit. Hormon-Moleküle können nach der Ausschüttung noch lange im Blut zirkulieren, bis sie chemisch verändert oder ausgeschieden werden. Der Zeitraum, in dem die Wirkung nach der Ausschüttung noch anhält, ist sehr unterschiedlich und kann je nach Hormon zwischen einigen Minuten und mehreren Stunden variieren. Hormone werden von Hormondrüsen in das Blut abgegeben und mit dem Blut im Körper verteilt. Die Signalübertragung durch Hormone ist langsamer als die durch Nervenimpulse, wirkt aber meistens länger. Sie hängt vor allem von der Ausschüttung der Hormone und ihrer Zirkulation im Blutkreislauf ab. Länger anhaltende Prozesse werden deshalb hormonell geregelt (z. B. Wachstum). Kurzfristige Prozesse erfolgen über das Nervensystem (z. B. Reaktion auf einen Reiz aus der Umwelt). Die Dauer der hormonellen Wirkung hängt davon ab, wie lange Hormone ausgeschüttet und wie schnell sie abgebaut werden. Die abbauenden Enzyme befinden sich vor allem in der Leber und den Nieren. Hormone beeinflussen jedoch nur bestimmte Zellen, denn die Zielzellen besitzen auf ihrer Zelloberfläche oder im Zellinneren passende Rezeptoren für die jeweiligen Hormone. Die Bildung von Hormonen an en spezifischen Rezeptoren stellt für die Zielzellen ein Signal dar, auf dass sie mit einer bestimmten Reaktion antworten. ● ● Zu den Neurohormonen gehören z.B. die Hormone des Hypothalamus und die im Nebennierenmark synthetisierten Hormone Adrenalin und Noradrenalin Hormonproduzierende Zellen und Gewebe findet man in vielen Organen, wie etwa im Margen-Darm-Trakt, in der Lunge und im Herz Erythropoetin ist ein Hormon, welches die Bildung von Erythrocyten fördert und in den Nieren hergestellt wird Organe mit der Aufgabe von Synthese und Abgabe von Hormonen, werden als endokrine Drüsen bezeichnet Einteilung der Hormone: Einzuteilen sind die Hormone in drei Stoffklassen. ➜Peptidhormone: sie bestehen aus Ketten von bis zu 200 Aminosäuren (z.B. Insulin und Glucagon) Aminhormone: diese Klasse leitet sich von den Aminosäuren Tyrosin und Tryptophan ab. Sie sind so, wie die erste Klasse auch hydrophil (z.B. Adrenalin und Noradrenalin) → Steroidhormone: diese sind hingegen lipophil (z.B. Cortisol, Östrogen und Testosteron lipophiles Hormon- C Hypothalamus Hypophyse Vorderlappen -Rezeptor im Cytoplasma Hinterlappen Schilddrüse -mRNA Nebenniere Bauch- speicheldrüse- Eierstöcke Hoden -Hormon-Rezeptor-Komplex - Transkriptionsfaktor RNA-Polymerase 000000000 LDNA Rinde Mark B ATP Zellkern Hormone 2 P Releasing-Hormone Inhibiting-Hormone Somatotropin Steuerungshormone Oxytocin Vasopressin Thyroxin Triiodthyronin Cortisol Adrenalin. Noradrenalin Insulin Glucagon Adenylatcyclase Östrogene Progesteron Testosteron CAMP Proteinkinase A0-000 inaktiv ATP ADP Wirkungen fördernder oder hemmender Einfluss auf Hypophysenvorderlappen aktiv Cytoplasma Körperwachstum, Proteinsynthese, Einfluss auf andere Hormondrüsen Auslösen der Wehen, Regelung des Wasserhaushalts Steigerung des Grundumsatzes, Wachstum Ab- und Umbau von Proteinen zu Glucose Glykogenabbau, Steigerung des Blutzuckerspiegels Senkung des Blutzuckerspiegels, Glykogenbildung Steigerung des Blutzuckerspiegels, Glykogenabbau hydrophiles Hormon Rezeptor auf der Zelloberfläche Ausbildung der Geschlechtsorgane, Zyklusregelung, Erhaltung der Schwangerschaft Ausbildung der Geschlechtsorgane, Muskelzunahme OOO OOO 000 phosphorylierte Enzyme (aktiv) 2 Hormonwirkung. A Genaktivierung durch lipophile Hormone; B Enzymaktivierung durch hydrophile Hormone Hormonwirkung auf Zielzelle: Lipophile Hormone können die Zellmembran der Zielzelle direkt durchdringen. Sie lagern sich an Rezeptoren im Cytoplasma an. Diese so gebildeten Hormon-Rezeptor-Komplexe gelangen durch die Kernporen in den Zellkern und beeinflussen als Transkriptionsfaktoren direkt bestimmte Gene (Abb. 2A). Hydrophile Hormone können die Zellmembran der Zielzelle nicht passieren. Sie binden an spezifischen Rezeptoren auf der Zelloberfläche. Der so gebildete Hormon-Rezeptor-Komplex aktiviert das an der Innenseite der Membran befindliche Enzym Adenylatcyclase. Diese Enzymaktivierung bewirkt die Umwandlung von Adenosintriphosphat in cyclisches Adenosinmonophosphat (CAMP). Diese überträgt das Signal weiter ins Zellinnere. Es aktiviert das Enzym Proteinkinase A, das wiederum beeinflusst durch die Anlagerung von Phosphatgruppen gleichzeitig die Aktivität mehrerer anderer Enzyme. Zum Beispiel aktiviert es in Leberzellen sowohl Enzyme des Glykogenabbaus als auch des Lipidabbaus. Während ein hydrophiles Hormon sein spezifisches Signal nur bis an die Zelloberfläche transportieren kann, dient CAMP zur Signalübertragung innerhalb der Zelle. Deshalb bezeichnet man das Hormon als first messenger und CAMP als second messenge. Jedes Hormon-Molekül löst die Bildung von vielen CAMP-Molekülen aus. Wiederum jedes CAMP-Molekül ist in der Lage, mehrere Proteinkinase-Moleküle zu aktivieren. äußere Einflüsse Kälte, Stress Hypothalamus Releasing- Hormone Hypophyse Steuerungs- hormone 1 Lage von Hypothalamus und Hypophyse in hormonelle Signale um und ist somit eine Schnittstelle zwischen Hormon- und Nervensystem. Нуро- thalamus- Hypophyse: Der Hypothalamus ist über eine stielartige Verlängerung und ein enges Blutgefäßnetz mit der etwa kirschkerngroßen Hypophyse verbunden. Diese wird in den Hypophysenvorderlappen und -hinterlappen unterteilt (Abb. 1). Der Hypophysenvorderlappen ist eine Hormondrüse und produziert verschiedene Hormone, die andere Hormondrüsen steuern. Der Hypophysenhinterlappen besteht aus Zellfortsätzen von spezialisierten Nervenzellen, die im Hypothalamus liegen. Im Hypophysenhinterlappen werden keine eigenen Hormone produziert, sondern nur Hormone des Hypothalamus gespeichert und bei Bedarf in das Blut freigesetzt. Zu den wichtigsten Hormonen, aus Hypophysenhinterlappen freigesetzt werden, gehören Oxytocin und ADH. Oxytocin löst unter anderem am Ende der Schwangerschaft die Wehen aus. ADH wirkt auf die Niere und reguliert dort, wie viel Wasser mit dem Urin ausgeschieden wird. innere Einflüsse Müdigkeit, Krankheit Hormondrüse Effektor- hormone Hypophysen- vorderlappen Zielzelle Hypophyse spezifische Wirkung Hypophysen- hinterlappen Ⓒ positive Rückkopplung negative Rückkopplung 2 Regulation der Hormondrüsen durch das Hypothalamus/Hypophysen-System Jedes Proteinkinase-Molekül aktiviert ihrerseits jeweils wieder viele Enzym-Moleküle. Über diese Signalkaskade wird die Wirkung eines einzelnen Hormon-Moleküls vielfach verstärkt (Abb. 2B). Hierarchie der Hormondrüsen -> Kontrolle der Hormonausschüttung: Die oberste Schaltzentrale des hormonellen Systems ist der im Zwischenraum gelegene Hypothalamus (Abb.1). Er nimmt auch eine zentrale Funktion im vegetativen Nervensystem ein. Außerdem wandelt er neuronale Signale Hypothalamus / Hypophysen-System: Der Hypothalamus und der Hypophysenvorderlappen bilden eine Funktionseinheit und steuern nahezu alle Stoffwechselvorgänge im Körper mithilfe verschiedener Hormone und Nervenimpulse. Der Hypothalamus enthält von den Nervenzellen anderer Hirnregionen Informationn und übermittelt daraufhin Signale in Form von Hormonen an den Hypophysenvorderlappen. Je nachdem, ob die Hypothalamushormone stimulierend oder hemmend auf die Freisetzung bestimmter Hydpophysenhormone wirken, unterscheidet man zwischen Releasing-Homonen (RH) und Inhibiting-Homronen (IH). spezifischen Steuerungshormone der Hypophyse gelangen über den Blutkreislauf in den Körper und beeinflussen dort wiederum die Aktivität bestimmter anderer Hormondrüsen, etwas der Schilddrüsen. Diese setzen die sogenannten Effektorhormone frei, die direkt auf die Zielzellen wirken (Abb.2). Rückkopplungsschleifen: Die Konzentration der Effektorhormone im Blut wirkt als Signal auf die Hypophyse und den Hypothalamus zurück. Dabei wirken sich hohe Hormonkonzentrationen oft hemmend auf den Hypothalamus und die Hypophyse aus. Sie bewirken dann, dass weniger Hypothalamus- und Hypophysenhormone ausgeschüttet werden. Es liegt eine negative Rückkopplung vor. Ist die Wirkung einer Rückkopplung gleichsinnig, wie bei der Wirkung von Releasing-Hormonen auf die Hypophyse, liegt eine positive Rückkopplung vor. Durch die positive Rückkopplung werden die Konzentrationen der verschiedenen Hormone im Blut jeweils auf die unterschiedlichen Situationen und Anforderungsbereiche, wie Stress oder Müdigkeit, eingestellt und konstant gehalten (Abb.2). Hypothalamus und Hypophyse: Die Hormone des Hypothalamus werden in den Zellkörper spezialisierter Neurone synthetisiert. Die Hypophyse besteht aus dem Hypophysenvoerderlappen und dem Hypophysenhinterlappen. Im Hypophysenhinerlappen werden keine Hormone gebildet. Die Axone enden aus dem Hypothalamus mit ihren hormonhaltigen Versikeln. Der Hypophysevorderlappen ist ein endokrines Organ, in dem mehrere verschiedene Steuerhormone gebildet werden. Die Ausschüttung ist von anregenden und hemmenden Hormonen (Releasing- und Inhibiting-Hormonen) aus dem Hypothalamus abhängig. Regulationsmechanismen: →Sehr wichtig und gut erklärt!!! Eine erhöhte Freisetzung führt zu höheren Hormonkonzentrationen im Blut und somit zu stärkerer Wirkung. Durch die Veränderung der Abgabe von Releasing- oder Inhibiting-Hormonen kann der Hypothalamus die Ausschüttung anderer Hormone und somit die Wirkung steuern. Eine annährende Konstanz der Hormonkonzentration iwrd durhc die Regelkreise mit negativer Rückkopplung erreicht. Die weniger häufige positive Rückkopplung ermöglicht es, die Konzentration eines Hormons sehr schnell auf den Maximalwert zu steigern. Die Dichte der Rezeptoren an den Zielzellen variiert von Gewebe zu Gewebe und kann in vielen Zielzellen auch erhöht (up- regulation) oder gesenkt werden (down-regulation). Bei dauerhaft hoher Konzentration eines Hormons nimmt z.B. die Empfindlichkeit mancher Zielzellen durch down-regulation der Rezeptoren ab. Die Zu-und Abnahme der Konzentration von Enzymen, die die Inaktivierung der Hormone beschleunigen ist eine weitere Möglichkeit, die Hormonwirkung zu beeinflussen. Regulation der Schilddrüsenhormone: Durch das Hypothalamus/ Hypophysen-System wird beispielweise die Konzentration von Schilddrüsenhormonen im Blut reguliert. Das bedeutet, dass diese i einem Konzentrationsbereich gehalten werden, der für eine ausreichende Reaktion der Zielzellen erforde ist. Schilddrüsenhormone steuern insbesondere den Energiestoffwechsel eines Men hen, seinen Umsatz von Nährstoffen sowie seinen Wärmehaushalt. Bei Ungeborenen und Kindern sind Schilddrüsenhormone für die normale Entwicklung und das Wachstum von großer Bedeutung. Der Hypothalamus setzt in Abhängigkeit vom Energiebedarf des Körpers, der Außentemperatur sowie des Wachstums- und des Entwicklungszustandes das Thyreotropin- Releasing-Hormon (TRH) frei. Dieses regt den Hypophysenvorderlappen dazu an, das schilddrüsenstimulierende Hormon abzugeben, auch Thyreoldea stimulierendes Hormon (TSH) genannt. Dies gelangt über den Blutkreislauf zur Schilddrüse und stimuliert sie zur Produktion von Schilddrüsenhormonen. Die Schilddrüse, auch Thyroidea genannt, befindet sich unterhalb des Kehlkopfes (Abb.3). Sie besteht aus vielen Millionen Bläschen, die Follikel heißen. Diese bilden die zwei iodhaltigen Hormone Triiodthyronin (T3) mit drei lod-Atomen und Thyroxin (T4), das vier lod-Atome enthält. In den Zielzellen kann T4 durch Abspaltung eines lod-Atoms in das wirksamere T3 umgewandelt werden. Hohe Thyroxinkonzentrationen im Blut hemmen den Hypothalamus und die Hypophyse. Durch diese negative Rückkopplung werden weniger Releasing-Hormone (TRH) und weniger Steuerungshormone (TSH) freigesetzt. Infolgedessen wird die Schilddrüse weniger stimuliert und gibt weniger Schilddrüsenhormone in das Blut ab. Nicht alle Hormone unterliegen dieser Regulation durch das Hypothalamus/Hypophysen-System. Insulin TRH Hypothalamus Hypophysen- vorderlappen- Schildknorpel Schilddrüse Luftröhre TSH Zielzellen negative Rück- kopplung 3 Steuerung der Schilddrüse durch das Hypothalamus/Hypophysen- System und Glucagon, die Hormone der Bauchspeicheldrüse, werden beispielsweise unabhängig davon ausgeschüttet. Bei einer primären Schilddrüsenunterfunktion kann die Schilddrüse selbst keine Hormone mehr bilden. Im Gegensatz dazu ist bei einer sekundären Schilddrüsenunterfunktion die Kontrolle der Hormonausschüttung durch den Hypothalamus oder die Hypophyse gestört. Zum Beispiel könnten die Rezeptoren der Schilddrüsenzelle infolge einer Mutation kein TSH mehr bilden. In beiden Fällen ist die Konzentration von Thyroxin im Blut zu niedrig. Um die Ursache einer Schilddrüsenunterfunktion zu ermitteln, kann ein TRH-Test durchgeführt werden. Dabei wird dem Patienten 200 Mikrogramm TRH in das Blut injiziert und anschließend die Konzentration an TSH im Blut des Patienten im Verlauf der Zeit ermittelt. Die Hormone der Schilddrüse: Sie ist die größte endokrine Drüse des Menschen. Also sie geben ihren Stoff direkt ins Blut ab. Sie besitzen zwei hormonproduzierende Zellarten, die C-Zellen, die das Hormon Calcitonin herstellen und die zweite, die die Hauptmasse der Schilddrüsenzellen darstellen. Die C-Zelle reguliert den Calciumgehalt des Blutes, steuert die Einlagerung von Calcium in den Knochen und verhindert den Knochenabbau. Die Schilddrüsenzellen bilden die als Schilddrüsenhormone bezeichneten Aminosäuren Thyroxin und Triiodthyronin her. Die Schilddrüsenzellen nehmen die im Blut enthaltenen lodid- lonen durch den aktiven Transport auf. Das lodid wird durch die Nahrung aufgenommen und wird anschließend in der Schilddrüse gesammelt und an ein Protein gebunden. Wirkung der Schilddrüsenhormone: In allen Organen findet man Rezeptoren für Schilddrüsenhormone und die Expression vieler Gene ist von ihnen abhängig. Für die Steuerung des Wachstums und die Entwicklung des gesamten Organismus vor und nach der Geburt haben sie eine zentrale Bedeutung. Wenn im Laufe der Entwicklung nicht genügend Triiodthyronin vorhanden ist, kann dies irreversible Schäden für das Skelett, die Organe und das Nervensystem hervorrufen. Gelingt es, durch eine frühzeitige Diagnose, einen Mangel zu verhindern, treten keine Entwicklungsstörungen auf. Stress: Faktoren, die Stress auslösen, nennt man Stressoren. Darunter fallen Herausforderungen, auf die man möglichst schnell mit Kraft und Laufbereitschaft reagiert werden muss oder mit hohen Anforderungen an Konzentration und Gedächtnis. Aber auch emotionale Belastungen der Gesundheit sind Stressoren. Trotz dessen Unterschiede, lösen sie ein ähnliches Grundmuster der Vorgänge im menschlichen Körper aus. Reaktionen mit Fähigkeiten zum Kampf oder zur Flucht, werden als fight or flight bezeichnet und Reaktionen auf anhaltende Belastungen, nennt man Allgemeines Anpassungssyndrom. Ablauf der Stressreaktion: Intensive Aktivitäten an Stressreaktionen, werden vom Sympathikus eingeleitet. Im Vordergrund steht die Versorgung des Gehirns und der Muskulatur mit Sauerstoff und Glucose. Die Wirkung des Sympathikus wird durch die Hormone ergänzt oder verlängert. Die im Nebennierenmark freigesetzten Hormone Adrenalin und Noradrenalin haben ein breites Wirkungsspektrum, wo sie auf den Stoffwechsel und das Herz-Kreislauf-System Einfluss nehmen. Die Reaktion der Zielzellen auf die Hormone hängen von ihrer Rezeptorausstattung ab. Adrenalin bewirkt in Leberzellen den Abbau von Glykogen zu Glucose und die Neubildung von Glucose. Im Fettgewebe steigert Adrenalin die Spaltung von Fetten und erhöht dadurch die Konzentration freier Fettsäuren im Blut. Adrenalin hemmt die Ausschüttung von Insulin. Zur schnellen Versorgung der Skelettmuskulatur mit Glucose und Stauerstoff werden Pulsfrequenzen und Kontraktionskraft des Herzens erhöht. Parallel steigt die Atemfrequenz und Blutgefäße, die das Herz, die Luge, das Gehirn und die Skelettmuskeln versorgen, werden erweitert, wohingegen die Blutgefäße im Verdauungstrakt kontrahieren. Die Verdauung wird somit eingeschränkt. Auch Cortisol nimmt Einfluss auf die Stressreaktion. Seine Konzentration im Blut unterliegt strenger Regulation mit negativer Rückkopplung. In Stresssituationen wird die Ausschüttungsrate erhöht. Cortisol stimuliert auch die Bereitstellung von Glucose im Blut, wirkt langsamer und wirkt länger auf den Blutzuckerspiegel als Adrenalin. Mehrere Effekte von Cortisol führen zu einer Hemmung des Immunsystems und auch zur Hemmung von Entzündungsreaktionen. Formen von Stress: Stressreaktionen ermöglichen körperliche und geistige Anstrengung bei der Arbeit oder beim Sport und erhöht somit die Aufmerksamkeit bei Denkprozessen in der Schule. Er nützt zur Verbesserung der körperlichen und geistigen Leistungsfähigkeit. Zudem führt Stress dazu, Anforderungen gerecht zu werden, sie werden nicht als Belastung empfunden und können ein körperliches Wohlbefinden und Motivation für weitere Leistungen auslösen. Diese Form von Stress, wird als Eustress bezeichnet. Stress kann jedoch auch Erkrankungen hervorrufen. Die häufigste Folge sind Herz-Kreislauf-Erkrankungen, vor allem in Stresssituationen ohne Beteiligung der Muskulatur und langanhaltenden Stress. Freie Fettsäuren im Blut begünstigend die Entstehung von Insulinresistenz (Diabetes Typ II) und beschleunigen gemeinsam mit dem Bluthochdruck Ablagerungen in den Blutgefäßen mit dem Risiko von Gefäßverschlüssen (Infarkte). Die negative Form wird als Distress bezeichnet. Ein Beispiel wäre ein langanhaltender Streit. Kleine Zusammenfassung: Hormone: ● Chemische Signalstoffe, werden Hormondrüsen gebildet und ins ● Regeln langanhaltende Prozesse, wie das Wachstum In kleinsten Mengen an Zielzelle wirksam Hydrophile Peptidhormone: bestehen aus bis zu 200 Aminosäuren; Beispiele: Insulin und Glucagon Hydrophile Aminohormone: leiten sich von Aminosäuren ab; Beispiele: Adrenalin und Noradrenalin Lipophile Steroidhormone: leiten sich von Cholesterin ab; Beispiele: Cortisol, Östrogen, Testosteron ● ● Hormonwirkung auf Zielzellen: Hydrophile Hormone: binden an Zelloberflächen-Rezeptoren, das Signal wird in Form einer Signalkaskade ins Zellinnere geleitet und verstärkt ● Lipophile Hormone: durchdringen die Zellmembran, binden intrazelluläre Hormon-Rezeptor-Komplexe, wirken als Transkriptionsfaktoren Rückkopplungsschleifen: Die Konzentration von Effektorhormone im Blut wird über positive (gleichsinnige) oder negative (gegenseitige) Rückwirkungen geregelt. Hierarchie der Hormondrüsen: Hypothalamus: ● Oberste Schaltzentrale des Hormonsystems Schnittstelle zwischen Hormon- und Nervensystem freigesetzt ● Funktionseinheit mit der Hypophyse Steuerung der Hypophyse über Releasing-Hormone (RH) und Inhibiting-Hormone (IH) Hypophyse: Hypophysehinterlappen: speichert Hormone aus dem Hypothalamus und setzt sie ins Blut frei ● Hypophysenvoerderlappen: synthetisiert verschiedene Steuerungshormone, die andere Hormondrüsen im Körper steuern Veränderung des Gedächtnisses bei Sucht: Veränderung des Gehirns durch Sucht: Sucht oder Abhängigkeit: Physische Abhängigkeit: Psychische Abhängigkeit: Physische Abhängigkeit: ● Jeder Konsum von Suchtmitteln kann nach Phasen der Gewöhnung in Sucht oder Abhängigkeit führen. Es wird zwischen der physischen und der psychischen Abhängigkeit unterschieden. ● Psychische Abhängigkeit: Dopamin-Carrier durch Kokain blockiert Kokain Der Körper reagiert auf die ständige Zufuhr des Suchtmittels und baut dies in den Stoffwechsel ein Bei einem stetigen Alkoholkonsum stellen Leberzellen mehr Enzyme zum Alkoholabbau bereit Im Verlauf der Sucht werden immer höhere Mengen des Suchtmittels vom Körper toleriert und verträgt das Mittel, ohne akute Vergiftungserscheinungen zu zeigen Die Toleranzbildung ist ein Zeichen für eine starke körperliche Abhängigkeit Wird ein Suchtmittel nicht mehr konsumiert, so reagiert durch Körper mit Entzugserscheinungen, wie beispielsweise Zittern, Frieren oder Übelkeit → um dies zu vermeiden, muss die Dosis ständig erhöht werden Belohnungssystem: Beim Belohnungssystem handelt es sich um angeborene Bedürfnisse, wie beispielsweise Sucht nach Nahrung, sozialen Kontakten, aber auch Sex. Diese Bedürfnisse bewirken eine Ausschüttung des Botenstoffs Dopamin im Belohnungssystem. Dort setzt die Wirkung von psychoaktiven Substanzen an. Drogen wie Alkohol, Kokain oder Cannabis können den Dopamin- Spiegel um ein Vielfaches erhöhen, als es die Bedürfnisse können. unwiderstehliches Verlangen nach einem bestimmten Stoff oder Im Gehirn entstehen durch die Sucht irreversible Veränderungen Veränderte Gehirnstruktur präsynaptische Membran Verhalten Integration des Suchtmittels in den Stoffwechsel Ein häufiger Drogenkonsum verändert die Aktivität des Belohnungssystems. Beispielweise reagiert es nur noch auf diese eine Droge und unsere Bedürfnisse oder andere Dinge verlieren an ihrer Bedeutung. Interessen einer süchtigen Person werden deshalb vermehrt durch das Belohnungssystem gesteuert. Es möchte immer mehr von der Droge und der Konsum wird somit immer mehr zu einem Zwang. Der Grund hierzu ist die Vernetzung des Belohnungssystems mit Hirnarealen, die das gewohnheitsmäßige Verhalten steuern. Dies führt zu einem Kontrollverlust. Ein Kontrollverlust wird durch bestimmte Dinge immer wieder ausgelöst. Zum Beispiel, wenn bestimmte Situationen mit den Drogen in Verbindung gebracht werden, wie die Tageszeit oder bestimmte Situationen. Zwei wichtige Rezeptoren im Gehirn sind: 3 Wirkung von Kokain an Synapsen im Belohnungssystem bindet GABA basiert auf irreversible Veränderungen im Gehirn durch das Suchtmittel oder Suchtverhalten postsynaptische Membran- Dopamin besetzter Dopamin- Rezeptor setzt intrazellulären Botenstoff frei J GABA Rezeptor Neurotrans- mitter bindet Glutamat NMDA Rezeptor Durch die Bindung öffnet sich jeweils ein Kanal durch die Zellmembran. Bei GABA sind es Chlorid-lonen und bei NMDA sind es Calcium-Ionen. Die Chlorid- lonen sind stark hemmend und die Calcium-Ionen haben eine aktivierende Wirkung auf die Erregungsübertragung im Gehirn. Durch die Hemmung und Aktivierung entsteht eine Balance. Nachdem das körpereigene GABA den lonenkanal geöffnet hat, strömen Chlorid-lonen in die Zelle ein, was eine hemmende Wirkung zur Folge hat. Kommt Alkohol ins Spiel, dockt dieser ebenfalls am GABA-Rezeptor an und öffnet den Kanal noch weiter. So können noch mehr Chlorid-lonen hindurchdringen, als wie im natürlichen Zustand. Dadurch wird das Erregungspotential der Zelle noch mehr gehemmt. Die NMDA-Rezeptoren werden dahingegen geschwächt. Calcium-Ionen haben auf die Zelle eigentlich eine aktivierende Wirkung. Der Alkohol blockiert die Kanaleingänge, sodass nur wenige Calcium-Ionen in die nächste Nervenzelle gelangen. Das Erregungspotential nimmt insgesamt ab. Die Balance ist durch den Faktor Alkohol nicht mehr gegeben. Die hemmenden und dämpfenden Chlorid-lonen überwiegen. Folgen: ➜im Gehirn läuft jetzt alles langsamer ab →nehmen weniger wahr und können nur wenige Informationen aus unserem Umfeld aufnehmen und verarbeiten Nur die stärksten Erregungspotentiale können weitergeleitet werden. Auch unser Gedächtnis lässt nach, weil der Alkohol die Signalübertragung stört. akute Nebenwirkungen: Schwindel → Erbrechen → Sehstörungen Das Reaktionsvermögen lässt nach, aber die Risikobereitschaft steigt. Auch Emotionen werden beeinflusst und verstärkt. Auf lange Sicht sterben Nervenzellen im Gehirn ab und die Hirnsubstanz schrumpft. Langfristig entstehen jedoch auch Leberschäden, Magenerkrankungen und Bluthochdruck, aber auch ein erhöhtes Krebsrisiko. Im Belohnungssystem werden Endorphine ausgeschüttet, sodass wir glücklich, entspannt und gesellig sind. Endorphine Opiate erzeugen. ähnliche Wirkung wie Dopamin. Dopamin- abbauendes Enzym Vesikel zur Speicherung von Dopamin- Dopamin Dopamin- besetzter Rezeptor Opiat-Rezeptor Kokain Zelluläre Wirkung des Dopamins löst Belohnungsgefühl aus. -Kokain und Amphetamine hemmen die Wiederaufnahme von Dopamin. Dopamin-Carrier Dopamin -Dopamin- Rezeptor Methyl- phenidat blockiert Neuron für Dopamin- Dopamin- Carrier durch Methyl- phenidat hemmendes Neuron im limbischen System- prä- synaptische Membran 2 Wirkung von Neuro-Enhancern an Synapsen. A Amphetamin; B Methylphenidat Opiate verstärken die Dopaminausschüttung durch Hemmung inhibitorischer Neurone. Nikotin stimuliert die Dopaminausschüttung. post- synaptische Membran Rolle des Belohnungssystems zusammengefasst: Drogen beeinflussen das Belohnungssystem, indem sie die Mengen an Dopamin zwischen den Nervenzellen erhöhen Suchtgedächtnis speichert charakteristische Begleitumstände ● Reize, die im Zusammenhang mit dem Suchtmittel stehen bekommen eine erhöhte Aufmerksamkeit Nikotin stimuliert die Dopaminausschüttung, indem sie die inhibitorischen Neuronen hemmen →Opiate haben eine ähnliche Wirkung Kokain und Amphetamine verstärken die Dopaminausschüttung, indem sie die Wiederaufnahme hemmen Dauerhafter Drogen Konsum führt zu einer molekularen Anpassung →Körper benötigt für das „gute Gefühl" mehr Suchtstoffe Neuro-Enhancement: Einnahme psychoaktiver Stoffe zur Steigerung der geistigen Leistungsfähigkeit Verschreibungspflichtig: Metylphenidat, Modafinil, Antidepressiva und B-Blocker Nicht verschreibungspflichtig: etwa Tabeletten mit hohem Koffeingehalt Toleranzentwicklung und Dosissteigerung Synapse eines Dopamin-Neurons Dynorphin- Rezeptor Dynorphin Dopamin Dopamin- Rezeptor Neuron im Nucleus accumbens Wirkung: Genexpression MU First and second messenger: Vorgänge des second messengers im Allgemeinen: Second messenger: Synapse eines Dopamin-Neurons Neuron im Nucleus accumbens Genexpression sie können lonenkanäle öffnen (z.B. in Geruchsrezeptorzellen) Er ist ein intrazellulärer Botenstoff, der auf extrazelluläres Signal vom first messenger hin aktiviert oder gebildet wird. Meistens werden über eine Signalkaskade weitere Prozesse eingeleitet 00 Stoffwechselprozesse durch die Aktivierung von der Proteinkinasen Genexpression, über die Aktivierung von Transkriptionsfaktoren Second messenger Übertragungsweg: 1) Der Rezeptor, der Noradrenalin später aufnimmt, ist an ein inaktives Enzym, dem G-Protein, an der Postsynapse gekoppelt 2) 3) 4) Bindet Noradrenalin, so wird GDP durch GTP am G-Protein ersetzt Das G-Protein wird dadurch aktiviert Das GTP aktiviert das Enzym Adenylatcyclase, wo ATP in CAMP umgewandelt wird 5) CAMP beeinflusst die Proteinkinas, welche für die Phospohorlierung der Kalium-Ionenkanäle verantwortlich ist 6) die Kalium-Ionenkanäle werden gehemmt 7) Der Wert des postsynaptischen Potentials wird verringert, da der Kalium-Ausstoß gehemmt ist. Zudem sind die Neuronen leichter erregbar, als zuvor Da neben Noradrenalin auch CAMP eine wichtige Rolle psielt, bezeichnet man diese Informationsweiterleitung als second messenger Übertragung. Erst durch CAMP können die Kalium-Ionenkanäle phosphoryliert und somit geschlossen werden. G-Protein GDP G-Protein-gekoppelter adrenergera Noradrenalin Reseptor Adenylat ryklase Phosphatgruppe lonenkanal ollen Adenylat- zyklase CAMP Adenylat zyklase Kalium lonenkanal geschlossen Protein kinase Phosphat- gruppe Nur aus dem Buch: Grün klein: Phototransduktion: Rhodopsin: Das Außenglied eines Stäbchens enthält im Zytoplasma etwa 1000 fache Membranscheiben, die Disks. In der Membran der Disks liegen die Moleküle des Sehfarbstoffes, des Rhodopsins. Alle bekannten Sehfarbstoffe bestehen aus einem Proteinanteil (dem Opsin) und einer Farbstoffkomponente. Beim Rhodopsin ist die Farbstoffkomponente das Retinal, ein abgewandeltes Vitamin A1-Molekül. Retinal kommt in zwei Formen vor, der 11-cis- und der All-trans-Form. Phototransduktion: Für ein Stäbchen im Dunkeln gilt: Das Retinal liegt in 11-cis-Form vor und ist fest an das Opsin gebunden. Dieser Komplex ist der Sehfarbstoff, das Rhodopsin (RH). In der Außenmembran werden Natrium- und Ca²+-Kanäle durch jeweils vier bis fünf kooperativ an den lonenkanal gebundene cGMP-Moleküle offen gehalten; durch die offenen Kanäle strömen Natrium und Ca²+ ins Stäbchen. Es liegt ein Ruhepotential von ca. -30mV an Am Endknöpfchen werden fortlaufend Transmitter (Glutamat) ausgeschüttet ● ● Bei Belichtung geschieht folgendes: ● ● ● Damit sinkt der cGMP-Spiegel im Stäbchen. Es ist nicht mehr genug CGMP vorhanden, um die Kationenkanäle offenzuhalten. Diese schließen sich. Der Natrium- und Ca² Einstrom wird geringer. ● Folge: Die Zellmembran wird hyperpolarisiert. Ein Rezeptorpotential ist entstanden Das Rezeptorpotential breitet sich elektronisch aus und führt an der synaptischen Endigung des Stäbchens zu einer Verminderung bzw. zum Stopp der Transmitterausschüttung. ● Durch die Absorption eines Lichtstrahls, geht das Retinal in die All-trans-Form über. Dies führt am Opsin zu einer Formveränderung. Rhodopsin ist damit zum enzymatisch aktiven Metarhodopsin II geworden. Metarhodopsin II regiert mit einem anderen Membranprotein, dem Transducin (T) und überführt dieses G-Protein von einer inaktiven in eine aktive Form. Dabei werden von jedem Metarhodopsin -II-Moleküle bis zu 500 Transducin-Moleküle aktiviert. Jedes aktivierte Transducinmolekül aktiviert seinerseits eine Phosphodiesterase-Molekül (PDE), ein Enzym, das ebenfalls in der Disc-Membran liegt. Die aktivierte Phosphodiesterase katalysiert die Umwandlung von CGMP zu 5'GMP. Dabei werden von einem aktivierten Phosphodisterase-Molekül 1000 bis 2000 CGMP-Moleküle zu 5'GMP umgewandelt. Wiederherstellen des Ruhepotentials: Eine Natrium-Calcium-Pumpe befördert ständig Ca²+ aus dem Stäbchen. Nach dem Schließen der Natrium- und Ca²+-Kanäle sinkt daher im Stäbchen der Calcium-Spiegel. Der niedrige Calcium-Spiegel hat nur zwei Effekte: zum einen hemmt er das Enzym Phosphodiesterase. Der Abbau von CGMP wird gestoppt. Zum anderen aktiviert er das zuvor durch Ca²+ gehemmte Enzym Guanylatcyclase. Bei niedrigem Ca²+-Spiegel katalysiert es die Bildung von cGMP aus GTP. Damit steigt der CGMP- Spiegel im Stäbchen wieder. Die Natrium- und Ca²+-Kanäle öffnen sich. Natrium-und Ca²+ strömen in das Stäbchen. Es kommt zu einer Depolarisation, zur Rückkehr zum Ruhepotential. ● Kennzeichen vor Hormonen: ● Hormone sind körpereigene Signalstoffe, die in der Regel von besonderen Drüsen produziert und freigesetzt werden (Drüsenhormon) Ausnahmen: Gewebshormone, wie die Histamine und Neurohormone, die von Nervenzellen im ZNS produziert werden Sie gelangen in der Regel über die Körperflüssigkeiten zu ihren Zielzellen Hormone sind extrazelluläre Signalstoffe, die eine intrazelluläre Antwort auslösen Die Zielzellen sind mit spezifischen Hormonrezeptoren ausgestattet. Sie (und nur sie) sprechen daher auf das Hormonsignal an ● Wie die Wirkung in der Zielzelle konkret aussieht, hängt von deren vorhergehenden Programmierungen im Zuge der Zellentwicklung ab. Dasselbe Hormon kann so bei verschiedenen Zelltypen unterschiedliche Wirkungen auslösen Hormone werden vom Körper rasch abgebaut Sie wirken in sehr kleinen Mengen Ihre Ausschüttung wird nach dem Prinzip der negativen Rückkopplung geregelt: so hemmt z.B. eine bestimmte Konzentration eines Hormons im Blut dessen weitere Ausschüttung Wirkungsweisen von Hormonen: Es lassen sich zwei Typen unterscheiden: 1. Nicht-lipidlösliche Hormone (Peptidhormone, Adrenalin, Noradrenalin) können die Zellmembran nicht passieren → Sie koppeln an membrangebundene Hormonrezeptoren in der Außenmembran der Zielzelle an (Schlüssel-Schloss- Prinzip) → Rezeptoren fungieren als Antennen eines Signaltransduktionssystems. Durch die Hormonkopplung aktiviert, bewirkt dieses System in der Zelle die enzymatische Bildung eines second messengers (z. B. CAMP). Dieser löst dann in der Zelle die eigentliche Wirkung aus. Je nach Zielzelle ist dies: Die Aktivierung von Enzymen Die Öffnung von lonenkanälen Nach Bindung an einen weiteren Rezeptor die Aktivierung von Genen 2. Lipidlösliche Hormone (Steroidhormone) → Sie dringen in die Zellmembran ein und können bereits hier Enzyme oder lonenkanäle aktivieren Im Zellinneren werden sie dann an spezifische Hormonrezeptoren gebunden ➜ Als Hormon-Rezeptor-Komplex bewirken sie im Zellkern die Aktivierung oder Blockierung bestimmter Gene und lösen so die Zellantwort aus Hierarchie der Hormondrüsen bei Wirbeltieren: Die oberste Steuerinstanz ist das Gehirn. Der Hypothalamus produziert Neurohormone. Über das Blut gelangen diese in den Hypophysenvorderlappen. Hier wirken sie fördernd oder hemmend auf die Freisetzung der Hypophysenhormone ein. Vom Hypothalamus werden sechs freisetzungsfördernde und drei freisetzungshemmende Neurohormone produziert, die die Ausschüttung der Hypophysenhormone steuern. Die Hypophyse schüttet ihrerseits zwei Gruppen von Hormonen aus: ➜ Hormone der ersten Gruppe (z. B. Somatotropin) wirken direkt auf die Zielzellen des Körpers ein → Hormone der zweiten Gruppe wirken auf nachgeschaltete Hormondrüsen ein (Z.B. Schilddrüse, Keimdrüse). Diese setzten dann Hormone frei, die in bestimmte Zielzellen zu einer spezifischen Antwort führen Muskelkontraktion: Bau des Muskels: Alle Tiere, außer Einzeller und Hohltiere, besitzen Muskeln. Meist sind sie die Effektoren bei Reizreaktionen. Man unterscheidet: Glatte Muskeln - Die Muskeln der inneren Organe und Gefäße (mit Ausnahme des Herzen) enthalten längliche, spindelförmige Zellen mit jeweils einem Zellkern. Sie arbeiten langsam, können sich aber stark zusammenziehen und diese Verkürzung (Kontraktion) oftmals lange ohne großen Energieverbrauch aufrechterhalten. Sie werden unwillkürlich bewegt. Glatte Muskeln weisen im Gegensatz zu quergestreiften Muskeln keine deutliche Bänderung auf. Ihre Kontraktion erfolgt mithilfe unregelmäßig angeordneter Myofibrillen. Die Muskelzellen sind durch gap junctions untereinander verbunden. Quergestreifte Muskeln (Skelettmuskulatur) - Die willkürlich zu bewegende Skelettmuskulatur der Wirbeltiere (=Muskeln, die an Skeletteilen ansetzen) besteht aus vielkernigen Muskelzellen (Fasern) und weist ein deutliches Querstreifenmuster auf. Sie arbeitet sehr rasch, ist äußerst leistungsfähig aber einen hohen Energieverbrauch. Herzmuskel - Er arbeitet ständig, hat ein eigenes Erregungssystem und besteht in der Regel aus einkernigen Herzmuskelzellen. Diese weisen wie die Skelettmuskeln eine Querstreifung auf, werden allerdings unwillkürlich gesteuert und sind über gap junctions untereinander verbunden. Kontraktion des Muskels: Jede Muskelfaser (Muskelzelle) wird von einem eigenen Nervenausläufer innerviert. Dieser bildet mit der Muskelzelle eine auffällige Synapse aus, die motorische Endplatte. Eine Erregungsweiterleitung von Muskel zu Muskel gibt es nicht. Damit kann jede Muskelzelle vom Nervensystem gezielt und separat angesteuert und zur Kontraktion gebracht werden. Dies geschieht nach dem Gleitfilament-Modell wie folgt: Ausgangszustand: Das Sarkoplasmatische Retikulum nimmt aktiv Ca²+ auf. Der Ca²+-Spiegel in der Muskelfaser ist folglich gering Die Myosinknöpfchen haben keinen Kontakt zum Actin-Filament, da die potenziellen Anheftungsstellen am Actin- Filament blockiert sind. An den Myosinknöpfchen sind ADP und Phosphat gebunden. Der Muskel ist entspannt ● Erregung und Kontraktion: ● Ein Aktionspotential erreicht die motorische Endplatte. An der Muskelmembran entsteht ein Endplattenpotential, das die Bildung eines Muskel-Aktionspotentials auslöst Dieses wird über T-Tubulin bis zum Sarkoplasmatischen Retikulum (SR) geleitet und bewirkt dort die Öffnung von Ca²+-Kanälen. Ca²+ wird aus dem SR freigesetzt. In der Muskelfaser steigt so der Ca²+-Spiegel an. Ca²¹ bindet an Troponin, wodurch sich dessen Raumstruktur änder ● ● ● ● Entspannung: ● Ergebnis: Die Blockade der Myosinbindestellen am Actin-Filament wird aufgehoben Myosinknöpfchen können sich jetzt an das Actin-Filament anheften ADP und Phosphat lösen sich von den Knöpfchen. Durch die Bindung an das Actin-Filament kommt es im Myosin- Molekül zu innermolekularen Veränderungen, die zum ,,Umklappen" des Myosinknöpfchen führen Die Folge: Das am Knöpfchen haftende Actin-Filamentwird zur Sarkomermitte hin verschoben. Das Sarkomer verkürzt sich. Geschieht dies auf ein Aktionspotential hin gleichzeitig an vielen Sarkomeren, kommt es zum Zusammenziehen des gesamten Muskels, zur Muskelkontraktion Nun bindet sich ein Molekül ATP an das Myosinknöpfchen. Dadurch kommt es zur Ablösung des Myosinknöpfchens vom Actin und ,,Zurückklappen" in die Ausgangsstellung ATP wird durch ATPase-Wirkung des Myosin in ADP und Phosphat gespalten Ist der Ca²+- Spiegel in der Muskelfaser weiterhin hoch, bleiben die Myosinbindestellen am Actin unblockiert. Das Myosinknöpfchen lagert sich in diesem Fall an die nächste Anheftungsstelle des Actin-Filaments an. Der Zyklus beginnt erneut. So zieht sich ein Myosin-Filament immer tiefer zwischen zwei Actin-Filamente 2+ Jedes neu an der Muskelmembran entstehende Aktionspotential führt zur Ausschüttung von Ca²+ aus dem SR. So lange der Muskel also erregt wird, geht die Kontraktion weiter bzw. sie bleibt in ihrer Maximalstellung erhalten. ● 2+ 2+ Erreicht jedoch kein weiteres Aktionspotential den Muskel, so pumpen Ca**-Pumpen Ca* zurück in das SR 2+ Ca²+ löst sich vom Troponin. Die Myosinbindungsstellen des Actin werden wieder blockiert. Nach und nach lösen sich so alle Myosinknöpfchen vom Actin-Filament. Rotes Buch: Bei Wirbeltieren lassen sich 3 Muskelarten unterscheiden: Wird der Muskel z. B. von seinem Gegenspielermuskel gedehnt, gleiten die solchermaßen ,,kontaktlosen" Actin- Filamente passiv zueinander. Das Sarkomer verbreitet sich wieder. Der Muskel entspannt, erschlafft. ● Glatte Muskulatur: einzelne, einkernige Muskelzellen sind schichtweise angeordnet z.B. in Wänden des Verdauungstraktes und der Blutgefäße Herzmuskulatur: mehrkernige, verzweigte Muskelfasern mit querstreiften Myofibrillen sind durch Glanzstreifen verbunden Skelettmuskulatur Die Herz- und Skelettmuskulatur wird als quergestreifte Muskulatur bezeichnet. Entspannter Muskel: Sarkomere gestreckt Bindungsstelle für die Myosinknöpfe am Actinfilament durch Tropomyosin blockiert Myosinknöpfe befinden sich durch Bindung vom ATP und dessen Hydrolyse in ADP +P in einem vorgespannten Zustand. ADP ist an den Myosinköpfen gebunden SR enthält eine hohe Konzentration an Ca²+-lonen, die nach erfolgter Kontraktion durch spezielle Pumpen unter ATP-Verbrauch aus dem Zytoplasma zurücktransportiert wurden.