Semester 3 - Kommunikation in biologischen Systemen

Dieses Semester dreht sich um Kommunikation in biologischen Systemen - ein ziemlich cooles Thema! Du wirst verstehen, wie Nervenzellen miteinander "sprechen", wie deine Augen funktionieren und wie Gene gesteuert werden.

Die Themen reichen von der neuronalen Informationsverarbeitung über Sinnesorgane bis hin zur Genregulation. Du lernst auch, wie Stress auf deinen Körper wirkt und welche Rolle Hormone dabei spielen.

Tipp: Dieses Thema ist super relevant für's Abitur und hilft dir zu verstehen, wie dein eigener Körper funktioniert!

Inhaltsverzeichnis - Dein Überblick

Das Semester gliedert sich in drei Hauptbereiche, die perfekt aufeinander aufbauen. Zuerst kommt die neuronale Informationsverarbeitung - hier lernst du alles über Nervenzellen, Aktionspotentiale und Synapsen.

Der zweite große Block behandelt Sinnesorgane, besonders das Auge. Du erfährst, wie aus Licht Nervenimpulse werden und wie Farbsehen funktioniert.

Den Abschluss bildet die Regulation der Genaktivität mit Themen wie Genexpression, Epigenetik und Stress. Außerdem lernst du wichtige Methoden und Konzepte wie Emergenz kennen.

Prüfungstipp: Alle drei Bereiche sind eng miteinander verknüpft - verstehe die Verbindungen zwischen ihnen!

Aufbau von Nervenzellen

Nervenzellen sind die Kommunikationsprofis deines Körpers! Sie bestehen aus einem Zellkörper und zwei Arten von Fortsätzen: Dendriten nehmen Informationen auf, das Axon leitet sie weiter.

Am Ende des Axons sitzen Endknöpfchen, die zur nächsten Zelle übertragen. Motorproteine transportieren Material zwischen Zellkörper und Endknöpfchen - 400mm pro Tag entlang der Mikrotubuli.

Schwann-Zellen bilden bei Wirbeltieren die Markscheide um Axone - eine Art Isolierung für schnellere Übertragung. Die Ranvier-Schnürringe sind die Lücken zwischen diesen Zellen. Astrocyten versorgen Nervenzellen mit Nährstoffen.

Merkhilfe: Dendriten = aufnehmen, Axon = weiterleiten. So einfach ist das!

Entstehung des Ruhepotentials

Das Ruhepotential entsteht durch ein cleveres Ionenspiel! Kalium-Ionen sind innen konzentrierter und diffundieren nach außen - dadurch wird die Zelle innen negativer.

Natrium-Ionen wollen rein (Leckstrom), aber die Natrium-Kalium-Ionenpumpen halten das Gleichgewicht aufrecht. Sie pumpen 3 Natrium-Ionen raus und 2 Kalium-Ionen rein - mit ATP als Energiequelle.

Der Pumpvorgang läuft in 6 Schritten ab: ATP bindet, Natrium bindet, ATP spaltet sich, Carrier öffnet sich nach außen, Kalium bindet, Phosphat wird abgespalten. So bleibt das Ruhepotential bei ca. -70mV stabil.

Eselsbrücke: 3 raus, 2 rein - so bleibt's negativ im Zellinnern!

Entstehung eines Aktionspotentials

Ein Aktionspotential läuft immer nach dem gleichen Schema ab! Bei Depolarisierung wird die Spannung von -70mV auf etwa -60mV reduziert. Ab -40mV (Schwellenpotential) gibt's kein Zurück mehr.

Jetzt passiert die Überreaktion: spannungsgesteuerte Natrium-Kanäle öffnen sich schlagartig, Natrium strömt rein und die Spannung springt auf +30mV - Umpolung! Das verstärkt sich selbst, weil mehr offene Kanäle noch mehr Natrium reinlassen.

Bei der Repolarisierung schließen sich Natrium-Kanäle und Kalium-Kanäle öffnen sich. Kalium strömt raus, bis das Potential unter -70mV fällt (Hyperpolarisierung auf -80mV).

Wichtig: Das Alles-oder-nichts-Gesetz bedeutet: Entweder volles Aktionspotential oder gar nichts!

Weiterleitung eines Aktionspotentials

Die Weiterleitung funktioniert bei marklosen und markhaltigen Axonen unterschiedlich. Bei marklosen Axonen breitet sich das Aktionspotential kontinuierlich aus - wie eine Welle mit 1 m/s.

Bei markhaltigen Axonen springen die Impulse von Ranvier-Schnürring zu Ranvier-Schnürring (saltatorische Erregungsleitung). Das ist mit 100 m/s viel schneller, weil Ausgleichsströme schneller sind als die Bildung neuer Aktionspotentiale.

An Synapsen wird's chemisch: Das Aktionspotential öffnet Calcium-Kanäle, Neurotransmitter werden freigesetzt und diffundieren zum nächsten Neuron. Dort öffnen sie Natrium-Kanäle und lösen ein neues Signal aus.

Fun Fact: Deine schnellsten Nerven leiten mit 100 m/s - das sind 360 km/h!

Synapsen und Informationsverarbeitung

Synapsen sind die Schaltstellen deines Nervensystems! Nach der Übertragung wird der Neurotransmitter (z.B. ACh) durch Enzyme abgebaut und das System zurückgesetzt.

Im ZNS werden tausende Signale verrechnet. Erregende Synapsen (EPSP) depolarisieren durch Natrium-Einstrom, hemmende Synapsen (IPSP) hyperpolarisieren durch Chlorid-Einstrom.

Räumliche Summation addiert Signale derselben Synapse, zeitliche Summation verrechnet Signale verschiedener Synapsen. Am Axonhügel wird entschieden: Wird das Schwellenpotential erreicht, feuert das Neuron.

Praxistipp: Stell dir vor, dein Gehirn ist ein riesiger Rechner, der permanent EPSPs und IPSPs addiert und subtrahiert!

Giftwirkungen und Synapsentypen

Nervengifte greifen an verschiedenen Stellen an und haben drastische Folgen. Blockierung der Calcium-Kanäle oder ACh-Rezeptoren führt zu Lähmungen, während unkontrollierte ACh-Freisetzung Reizüberflutung verursacht.

Schnelle Synapsen funktionieren wie du's kennst - direkte Übertragung durch Neurotransmitter. Langsame Synapsen arbeiten über cAMP als zweiten Botenstoff und beeinflussen sogar die DNA.

Sinnesorgane übersetzen Umweltreize in Aktionspotentiale - das passiert nur in speziellen Sinneszellen. Im Auge sind das Zapfen und Stäbchen in der Netzhaut.

Achtung: Verstehe die verschiedenen Angriffspunkte von Giften - das kommt gerne in Klausuren vor!

Aufbau des Auges

Dein Auge ist ein perfekt konstruiertes optisches System! Hornhaut und Linse bündeln das Licht, die Iris reguliert den Lichteinfall, und der Ziliarmuskel stellt scharf.

Die Fovea centralis ist dein schärfster Sehbereich, der blinde Fleck ist dort, wo der Sehnerv austritt. Der Glaskörper hält die Form und die Aderhaut versorgt die Netzhaut mit Nährstoffen.

Die Netzhaut ist mehrschichtig aufgebaut: Ganz hinten sitzen Zapfen und Stäbchen, dann kommen Bipolarzellen und vorne die Ganglienzellen. Horizontal- und Amakrinzellen schaffen Querverbindungen.

Interessant: Das Licht muss durch alle Schichten, bevor es die Sinneszellen erreicht - trotzdem siehst du scharf!

Aufbau der Netzhaut und Lichtsinneszellen

Lichtsinneszellen bestehen aus Innen- und Außensegment. Das Innensegment enthält alle normalen Zellorganellen, das Außensegment ist voller Membranscheibchen (Disks) mit Fotopigmenten.

Stäbchen sind super lichtempfindlich und liefern Graustufen-Bilder - perfekt für schwaches Licht. Ihr Außensegment ist kurz und spitz. Zapfen brauchen mehr Licht, dafür liefern sie Farbinformationen - mit langem, zylindrischem Außensegment.

Die Transduktion wandelt Lichtenergie in elektrische Signale um - das passiert in den Fotopigmenten der Disks. Diese Umwandlung ist der erste Schritt des Sehens.

Merkregel: Stäbchen = schwaches Licht + grau, Zapfen = helles Licht + Farbe!