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Biologie

Neurobiologie

Erregungsübertragung

Synapsengifte

Nervenzellen einfach erklärt: Aufbau, Funktion und Reizweiterleitung

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Louisa

@louisa_1234

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4.2.2022

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Neurobiologie
Reiz-Reaktionsschema:
Reiz wird über Sinnesorgan
aufgenommen und in ein
elektrisches Signal
umgewandelt
Bau der Nervenzelle:
S

Gliazellen und Nervenfasern

Gliazellen spielen eine entscheidende Rolle im Nervensystem. Sie umgeben die Nervenzellen, schützen sie und vermitteln ihre Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff. Besonders wichtig sind die Schwann'schen Zellen, die zusammen mit dem Axon die Nervenfaser bilden.

Example: Die Myelinscheide, gebildet von Schwann'schen Zellen, umhüllt das Axon und wird von Ranvier'schen Schnürringen unterbrochen, was zur Beschleunigung der Erregungsleitung beiträgt.

Das Ruhepotential einer Nervenzelle ist ein grundlegender Zustand, bei dem eine Potenzialdifferenz zwischen dem Inneren und Äußeren der Zelle besteht. Diese elektrische Spannung beträgt etwa -70mV und entsteht durch die ungleiche Verteilung von Ionen:

Innen: Hohe Konzentration von K+ und negativ geladenen Anionen
Außen: Mehr Na+ und Cl- Ionen

Definition: Das Ruhepotential ist das elektrische Potential einer Nervenzelle im unerregten Zustand.

Die Membran der Nervenzelle ist selektiv permeabel, was bedeutet, dass sie für verschiedene Ionen unterschiedlich durchlässig ist. Dies ist entscheidend für die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials.

Vocabulary: Die selektive Permeabilität der Zellmembran ermöglicht eine kontrollierte Passage bestimmter Ionen und ist grundlegend für die Funktion von Nervenzellen.

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Entstehung und Aufrechterhaltung des Ruhepotentials

Das Ruhepotential entsteht durch die Wanderung bestimmter Ionen durch die Membran, was zu einer Ladungsdifferenz zwischen dem Innen- und Außenraum der Nervenzelle führt. Dieser Prozess basiert auf mehreren Faktoren:

Diffusion der Ionen entlang ihres Konzentrationsgradienten
Selektive Permeabilität der Zellmembran
Elektrische Anziehung und Abstoßung der Ionen

Example: K+-Ionen diffundieren aufgrund des Konzentrationsgefälles aus der Zelle heraus, wodurch der Außenraum positiver wird. Gleichzeitig verhindert die selektive Permeabilität der Membran einen vollständigen Ausgleich der Ionenkonzentrationen.

Die Brown'sche Molekularbewegung spielt eine wichtige Rolle bei der Verteilung der Ionen. Je höher die Konzentration der Teilchen, desto stärker ist ihr Bestreben, sich gleichmäßig im Raum zu verteilen.

Highlight: Das Ruhepotential ist ein dynamisches Gleichgewicht, bei dem sich die Ionenverteilung trotz ständiger Bewegung der Teilchen nicht wesentlich ändert.

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist entscheidend für die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials. Sie transportiert aktiv Ionen gegen ihren Konzentrationsgradienten:

Drei Na+-Ionen werden aus der Zelle heraus transportiert
Zwei K+-Ionen werden in die Zelle hinein transportiert

Vocabulary: Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Enzym in der Zellmembran, das unter Verbrauch von ATP Natrium- und Kaliumionen gegen ihre Konzentrationsgradienten transportiert.

Dieser aktive Transport erfordert Energie in Form von ATP und wirkt dem passiven Einstrom von Na+-Ionen (Na+-Leckstrom) entgegen. Dadurch wird der Konzentrationsgradient aufrechterhalten, der für das Ruhepotential und die Erregbarkeit der Nervenzelle essentiell ist.

Definition: Der Na+-Leckstrom bezeichnet den passiven Einstrom von Natriumionen in die Zelle aufgrund des Konzentrationsgradienten.

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Natrium-Kalium-Pumpe

Die vierte Seite beginnt mit der detaillierten Beschreibung der Natrium-Kalium-Pumpe und ihrer Rolle bei der Ruhepotential Aufrechterhaltung.

Highlight: Die Pumpe arbeitet gegen den Konzentrationsgradienten und benötigt dafür Energie in Form von ATP.

Definition: Der Ionentransport gegen den Konzentrationsgradienten ist ein aktiver Prozess, der Energie verbraucht.

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Die Nervenzelle und ihre Reizweiterleitung

Die Reizweiterleitung Nervenzelle ist ein komplexer Prozess, der sich in mehrere Phasen unterteilt. Im Ruhezustand befindet sich die Nervenzelle im sogenannten Ruhepotential, bei dem der Zellinnenraum gegenüber dem Außenraum negativ geladen ist. Die Ruhepotential Ionenverteilung wird durch die Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten.

Definition: Das Aktionspotential ist eine kurzzeitige Änderung der elektrischen Spannung an der Zellmembran einer Nervenzelle, die der Signalübertragung dient.

Bei der Reizweiterleitung kommt es zunächst zur Depolarisierung, bei der sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen und Natrium-Ionen in die Zelle einströmen. Dies führt zu einer Umkehrung der Ladungsverhältnisse. Anschließend folgt die Repolarisierungsphase, in der sich die Natriumkanäle wieder schließen und Kaliumkanäle öffnen, wodurch Kalium-Ionen aus der Zelle ausströmen.

Die Myelinscheide Funktion spielt bei der Reizweiterleitung eine entscheidende Rolle. Diese Isolierschicht, die von Schwannschen Zellen gebildet wird, ermöglicht die saltatorische Erregungsleitung. An den Ranvierschen Schnürringen entstehen Aktionspotentiale, die von einem Schnürring zum nächsten "springen". Dies macht die Reizweiterleitung deutlich schneller und energieeffizienter.

Highlight: Der Unterschied zwischen Schwann-Zellen und Oligodendrozyten liegt in ihrem Vorkommen: Schwann-Zellen befinden sich im peripheren Nervensystem, während Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem zu finden sind.

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Synapsen und Signalübertragung

Die Signalübertragung zwischen Nervenzellen erfolgt an speziellen Kontaktstellen, den Synapsen. Hier wird das elektrische Signal in ein chemisches umgewandelt. Wenn ein Aktionspotential am Axonende ankommt, werden Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt.

Beispiel: An der motorischen Endplatte, einer speziellen Synapse zwischen Motoneuron und Muskelfaser, wird der Neurotransmitter Acetylcholin freigesetzt, der die Muskelkontraktion auslöst.

Die Signalübertragung an Synapsen kann sowohl erregend (EPSP) als auch hemmend (IPSP) sein. Bei der zeitlichen Summation addieren sich mehrere schnell aufeinanderfolgende Signale an einer Synapse. Bei der räumlichen Summation werden gleichzeitige Signale verschiedener Synapsen zusammengerechnet.

Die Reizweiterleitung Gehirn basiert auf dem komplexen Zusammenspiel verschiedener Synapsenarten. Dabei ist die präzise Regulation der Signalübertragung von entscheidender Bedeutung für die Funktionsfähigkeit des Nervensystems.

Vokabular: Die Patch-Clamp-Methode ist eine wichtige Technik zur Untersuchung einzelner Ionenkanäle in der Zellmembran, entwickelt von Neher und Sakmann in den 1970er Jahren.

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Aktionspotential und Refraktärzeit

Das Aktionspotential folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip: Wird der Schwellenwert überschritten, läuft es immer in gleicher Weise ab, unabhängig von der Reizstärke. Die Refraktärzeit unterteilt sich in die absolute und relative Phase.

Definition: Die absolute Refraktärzeit ist der Zeitabschnitt, in dem kein neues Aktionspotential ausgelöst werden kann. Die relative Refraktärzeit bezeichnet den Zeitraum bis zur vollständigen Regeneration aller Ionenkanäle.

Die Reizleitung Nervenzelle einfach erklärt basiert auf der Ausbreitung des Aktionspotentials entlang des Axons. Dabei entstehen Ausgleichsströme zwischen erregten und unerregten Membranbereichen, die zur Weiterleitung des Signals führen.

Die Geschwindigkeit der Reizweiterleitung wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst, insbesondere durch die Myelinisierung der Axone. Bei myelinisierten Nervenfasern erfolgt die Erregungsleitung saltatorisch, was zu einer deutlichen Beschleunigung führt.

Highlight: Die Schwannsche Zelle Funktion besteht hauptsächlich in der Bildung der Myelinscheide im peripheren Nervensystem, wodurch die Reizleitung erheblich beschleunigt wird.

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Ionenkanäle und Membranpotentiale

Die Ruhepotential Aufrechterhaltung erfolgt durch das Zusammenspiel verschiedener Ionenkanäle und Ionenpumpen. Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert aktiv Natrium-Ionen aus der Zelle heraus und Kalium-Ionen hinein.

Definition: Das Ruhepotential ist die elektrische Spannung zwischen Zellinnerem und -äußerem im Ruhezustand der Nervenzelle, typischerweise etwa -70 mV.

Die Ruhepotential Spannung wird durch die ungleiche Verteilung von Ionen aufrechterhalten. Dabei spielen verschiedene Ionenkanäle eine wichtige Rolle: spannungsgesteuerte Natrium- und Kaliumkanäle sowie die permanent geöffneten Kalium-Leckkanäle.

Die Patch-Clamp-Technik ermöglicht die Untersuchung einzelner Ionenkanäle und ihrer Funktionsweise. Diese Methode hat unser Verständnis der Ionenkanäle und ihrer Rolle bei der Reizweiterleitung revolutioniert.

Highlight: Warum ist das Ruhepotential negativ? Dies liegt an der unterschiedlichen Verteilung der Ionen und der selektiven Durchlässigkeit der Membran für verschiedene Ionenarten.

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Synaptische Übertragung: Elektrische und Chemische Synapsen im Vergleich

Die Reizweiterleitung im Nervensystem erfolgt über zwei unterschiedliche Arten von Synapsen: elektrische und chemische Synapsen. Diese Strukturen sind fundamental für die Reizweiterleitung im Gehirn und zeigen deutliche Unterschiede in ihrer Funktionsweise und ihren Eigenschaften.

Definition: Synapsen sind spezialisierte Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, die der Signalübertragung dienen. Die Nervenzelle Funktion basiert maßgeblich auf der korrekten Funktion dieser Verbindungen.

Bei der elektrischen Synapse erfolgt die Signalübertragung direkt über Gap Junctions - kleine Proteinkanäle, die beide Zellen verbinden. Der synaptische Spalt beträgt hier nur 3,5 nm, was eine sehr schnelle, bidirektionale Signalübertragung ermöglicht. Diese Art der Synapse findet sich besonders in Geweben, die eine schnelle Reaktion erfordern, wie der Retina oder dem Herzen.

Die chemische Synapse hingegen nutzt Neurotransmitter zur Signalübertragung. Mit einem synaptischen Spalt von 30 nm und einer Übertragungszeit von etwa 5 ms ist sie deutlich langsamer als ihr elektrisches Pendant. Das Aktionspotential wird hier in ein chemisches Signal umgewandelt, was eine feinere Regulierung der Signalübertragung ermöglicht.

Highlight: Synapsengifte können die Signalübertragung erheblich beeinflussen. Beispiele sind Botulinumtoxin (Botox), das die Transmitterausschüttung verhindert, oder Curare, das die Acetylcholin-Rezeptoren blockiert.

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Synapsengifte und ihre Wirkungsmechanismen

Die Wirkung von Synapsengiften basiert auf verschiedenen molekularen Mechanismen, die das Ruhepotential der Nervenzelle und die Signalübertragung beeinflussen. Diese Gifte können sowohl an der präsynaptischen als auch an der postsynaptischen Membran angreifen.

Conotoxin beispielsweise blockiert die Calcium-Kanäle und verhindert dadurch den Calcium-Einstrom, der für die Transmitterausschüttung notwendig ist. Das Ruhepotential der Zelle wird dabei gestört, was zu einer Lähmung der Muskulatur führen kann.

Nicotin hingegen imitiert den Neurotransmitter Acetylcholin und aktiviert bestimmte Rezeptoren dauerhaft. Dies führt zu einer verstärkten Signalübertragung und kann bei hohen Dosen zu schweren Atemstörungen und Kreislaufkollaps führen.

Beispiel: Die Myelinscheide Funktion und die Schwannsche Zelle Funktion können durch bestimmte Gifte ebenfalls beeinträchtigt werden, was zu schwerwiegenden neurologischen Störungen führen kann.

Die medizinische Forschung nutzt das Verständnis dieser Wirkmechanismen, um neue Therapieansätze zu entwickeln. Einige Gifte, wie Botox, finden bereits therapeutische Anwendung in der modernen Medizin.

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Neurobiologie: Vom Reiz zur Reaktion

Das Reiz-Reaktions-Schema bildet die Grundlage für die Verarbeitung von Sinneseindrücken im Nervensystem. Ein Reiz wird über ein Sinnesorgan aufgenommen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird dann über sensorische Nerven zum Gehirn weitergeleitet, wo es verarbeitet und ausgewertet wird. Anschließend wird eine Reaktion über motorische Nerven zu den Muskeln gesendet.

Definition: Das Reiz-Reaktions-Schema beschreibt den Weg von der Aufnahme eines Reizes bis zur Ausführung einer Reaktion durch den Körper.

Der Aufbau einer Nervenzelle ist komplex und besteht aus mehreren wichtigen Teilen:

Das Soma enthält den Zellkern und die meisten Organellen.
Das Axon ist ein langer Fortsatz, der Signale weiterleitet.
Dendriten sind verzweigte Fortsätze, die Signale aufnehmen.
Der Axonhügel ist der Ursprungsort für Aktionspotentiale.
Synaptische Endknöpfchen übertragen Signale an andere Zellen.

Highlight: Nervenzellen können sich nach der Embryonalentwicklung nicht mehr teilen, da ihnen die Zentriolen fehlen.

Vocabulary: Gliazellen sind spezialisierte Zellen, die Nervenzellen umgeben, schützen und versorgen. Sie bilden auch die Myelinscheide, die zur Isolierung der Nervenfasern dient.