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Neurobiologie Übersicht
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Resource summary
Slide 1
Neurobiologie (für das Abitur)
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Übungsfragen
Was du nach diesen Folien beantworten kannst:
Wie ist die Nervenzelle aufgebaut und was sind die einzelnene Funktionen der Bestandteile?
Beschreibe das Ruhe- & Aktionspotential
Beschreibe verschiedene Erregungsleitungen & welche Art bei welchen Lebewesen auftritt
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Aufbau eines Neurons I
Caption: : Abschnitte eines Neurons
Caption: : Detailliertere Ansicht des Zellkörpers/Soma
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Aufbau eines Neurons II
Zellkörper (Soma):
biosynthetische Zentrum, enthält den Zellkern und alle Zellorganellen, die für
die Proteinbiosynthese notwendig sind: Ribosomen, ER und Golgi-Apparat. Zudem
geht vom Zellkörper das Wachstum der Zelle aus.
Dendriten: weitverzweigte
Zellfortsätze. Große Oberfläche für den Empfang von Signalen anderer
Nervenzellen. Eine Nervenzelle hat an den Dendriten mehrere Tausend
Verbindungen zu anderen Nervenzellen („Synapsen“)
Axon: Ein einzelner Zellfortsatz, der
länger als die Dendriten sind. Die von
den Dendriten aufgenommen Signale werden im Axon weitergeleitet. Da im Axon
auch Mitochondrien vorhanden sind, lässt dies darauf schließen, dass
Weiterleitung der elektrischen Signale im Axon ein aktiver,
energieverbrauchender Prozess ist.
Axonhügel: Der Axonhügel ist der
Summationsort von postsynaptischem Potentialen (EPSP und IPSP). Bei dem
überschreiten eines Schwellenwert wird das Signal weitergeleitet.
Myelinscheiden: Sind nur
bei Wirbeltieren vorhanden, werden von Gliazellen gebildet, den Schwann‘schen
Zellen. Die Myelinscheide isoliert das Axon elektrisch und ermöglicht eine
schnelle Erregungsleitung.
Ranvierscher Schnürring:
Bezeichnet den freiliegenden Abschnitt eines Axons zwischen zwei Schwann’schen
Zellen und ist wichtig für die saltatorische Erregungsleitung, da das
Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring „springt“.
Präsynaptische Endigungen: Befinden
sich am Ende des Axon und bilden mit den Dendriten anderer Nerven- oder
Muskelzelle eine Synapse. Die Signale, die von der Nervenzelle transportiert
werden, werden dort übertragen.
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Wie funktioniert eine Nervenzelle?
Ausschlaggebend für eine Info-Aufnahme, Weiterleitung und
Verarbeitung in den Neuronen sind elektrische
Vorgänge. Solche sind nur möglich, sofern Ladungsträger vorhanden sind.
In der Salzlösung (NaCl), die in den Nervenzellen und um sie herum
vorhanden ist, ist genau dies in Form von positiv oder negativ geladenen
Ionen der Fall. Im tierischen Gewebe sind die Hauptvertreter meist
positiv geladene Kationen, wie Natriumionen (Na+), Kaliumionen (K+) und
Calciumionen (Cl2+) sowie negativ geladene Anionen von Chlorid (Cl-),
Hydrogencarbonat (HCO3-) und Proteinen.
Die Membran des Axons, dem Verbindungsglied zwischen Zellkörper und
nachfolgendem Neuron, ist grundsätzlich aufgrund einer
Lipid-Doppelschicht (also ihrer hydrophoben Eigenschaft) nur äußerst
schwer für die hydrophilen Ionen durchlässig.
Sie besitzt jedoch eine
selektive Permeabilität, die auf eingelagerte Ionenkanäle im Axonbereich
beruht, die bestimmen, welche Ionen passieren können. Die
Durchlässigkeit in Bezug auf die Ionen lässt sich hierbei in der Größe
und den Ladungsverhältnissen innerhalb des Ionenkanals begründen. Doch wie wird nun ein Reiz durch das Axon weitergeleitet? Grundsätzlich
befindet sich das Axon in einem Ruhepotential (ungefähr
-75mV). Dieses kommt aufgrund von Ionenaustauschen zustande, die durch
die Membran diffundieren, bzw. zu groß für die Kanäle sind und deshalb
zurückbleiben müssen.
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Das Ruhepotential
Das Ruhepotential beschreibt den Zustand des negativen Potentials einer unerregten Nervenzelle.
Dieses negative Potential lässt sich auf ein Ladungsungleichgewicht der Ionen zwischen
Extrazellularraum und Cytoplasma zurückführen.
Ohne eine Aufrechterhaltung des Ruhepotentials, wäre die Weiterleitung von Nervenimplusen im Rahmen
des Aktionspotentials gar nicht möglich! Einzelnd betrachtet sind die Gesamtladungen im Zellinneren und Zelläußeren ausgeglichen. Bedeutet: Im
Zellinneren gleichen sich die Ladungen von K+ und A- aus; Im Zelläußeren gleichen sich die Ladungen
von Na+ und Cl- aus.
Kausal für das Ruhemembranpotential ist nun der Ladungsunterschied
zwischen diesen beiden Ladungen (Intrazellulär vs. Extrazellulär).
Das wiederum liegt an der ungleichen Verteilung
der positiv- und negativ
geladenen Ionen zwischen Zellinnerem und Zelläußerem. Das Neuron muss also eine negative Ladung im Inneren zuerst einmal aufbauen und dann dauerhaft
halten. In der Membran existieren Kalium-, Chlorid- und Natrium-Kanäle. Die beiden letzteren sind
beim Ruhepotential jedoch geschlossen. Aufgrund der Brownschen Molekularbewegung bewegen sich K+
Ionen durch die offenen Kalium-Kanäle nach außen (und zwar nur nach Außen; ein umgekehrtes Eintreten
wird durch die Ionenkanäle verhindert), wodurch das Ladungspotential im Axon negativer wird
(dementsprechend wird es im Außenbereich positiver).
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Von Außen strömen aber dennoch Na+-Ionen durch sogenannte Leckströme in die Zelle und würden früher
oder später für einen Ausgleich der Ladungen von Extrazellularraum und Cytoplasma sorgen, wodurch das
Ruhepotential zerstört wäre. Ursache dafür ist die Diffusion von Teilchen. Moleküle und Ladungsträger
streben immer nach einem Ausgleich der Konzentration.
In der Membran befindliche Natrium-Kalium-Pumpen sorgen für einen
Rücktransport der eingeströmten Na+Ionen. Unter ATP Verbrauch
werden drei Na+-Ionen nach Außen transportiert und im Gegenzug zwei K+-Ionen nach Innen.
Auf diese Weise wird das negative Membranpotential von ca. -70mV aufrecht erhalten. Wieso das nötig ist, erfährst
du beim Aktionspotential.
Caption: : Am Ende liegt das Ruhepotantial
Ruhepotential Teil II
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Kurze Zusammenfassung:
Unter Ruhepotential versteht man den negativ geladenen Zustand einer unerregten Nervenzelle
Nur die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials gewährleistet die Erregungsübertragung beim Aktionspotential
Die Natrium-Kalium-Pumpe und die selektive
Permeabilität der Membran sorgen für die Aufrechterhaltung des negativen
Ruhepotentials bei ca. -80mV.
Das Ruhepotential
Caption: : Das Ruhepotential
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Aktionspotential
Beim Aktionspotential kommt es zur Weiterleitung einer elektrischen Erregung durch Veränderung des
Membran-potentials. Aktionspotentiale sind wichtig für jegliche Form der
Reizübertragung.
Um das Aktionspotential messen zu können, benötigt man zwei Messelektroden: Eine Messelekrode wird in die
Nervenzelle hineingestochen und die andere von außen an die Zelle gehalten. Die linke Abbildung zeigt den
elektrisch gemessenen Verlauf eines Aktionspotentials.
Es gliedert sich also in 5 Phasen.Kurzzusammenfassung des Aktionspotentials:
Durch Veränderung des Membranenpotentials
kommt es beim Aktionspotential zur Weiterleitung einer elektrischen
Erregung durch das Axon
Der Ablauf des Aktionpotentials lässt sich
in fünf Phasen gliedern: Ruhepotential, Überschreitung des
Schwellenpotentials, Depolarisation, Repolarisation und
Hyperpolarisation
Caption: : Phasen des Aktionspotentials
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Das Aktionspotential
1. Ruhepotential: Das Membranpotential beträgt ungefähr -70mV
2. Überschreitung des Schwellenpotentials: Die Dendriten nehmen
Reize von
umliegenden Nervenzellen auf & leiten sie weiter. Damit ein Aktionspotential ausgelößt werden
kann, muss am Axonhügel ein bestimmter Schwellenwert
(in unserem Fall -50 mV) überschritten werden. Es gilt das "Alles oder nichts Prinzip",
entweder der Schwellenwert wird überschritten und
das Aktionspotential läuft über das Axon ab oder es
wird keine Reaktion ausgelößt. Folglich gibt es
auch keine Abstufungen der Reaktionsstärke. Das
Aktionspotential läuft immer gleich ab.
3. Depolarisation: Wird der Schwellenwert überschritten läuft das
Aktionspotential über das Axon ab: Die Na+-Kanäle öffnen sich und von Außen strömen schlagartig Na+Ionen in
das Zellinnere des Axons. (K+-Kanäle sind währenddessen geschlossen). Es kommt zur Umpolarisierung, dem
sogenannten Overshoot. Der Intrazelluläre Raum ist jetzt sogar positiv geladen.
4. Repolarisation: Die Na+ Kanäle beginnen wieder sich zu
schließen. K+ Kanäle öffnen sich und
sorgen dafür, dass Kalium Ionen aus dem positiv geladenen Zellinnerem
heraus diffundieren können. Dies läuft wegen dem
Spannungsunterschied auch relativ schnell ab, denn das
Zelläußere ist im Vergleich negativ geladen. Folge:
Die elektrische Spannung im Zellinneren sinkt wieder.
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Das Aktionspotential II
5. Hyperpolarisation: Die K+-Kanäle schließen sich. Im
Vergleich zu Na+-Kanälen sind die K+Kanäle jedoch deutlich langsamer und es dauert rund 1-2ms bis diese
komplett geschlossen sind. In der Zeit sind weitere K+-Ionen nach außen hin diffundiert und die Spannung
sinkt unter das eigentliche Ruhepotential (Hyperpolarisation).
Nachdem die Na+ Kanäle sich im Laufe der Repolarisation wieder geschlossen haben, ist ein erneutes
Aktionspotential unmittelbar darauf nicht möglich. Diese Zeitspanne nennt man auch Refraktärzeit und
dauert ungefähr 2 ms
Ruhepotential: Die Natrium-Kalium-Pumpen regulieren
die Spannung daraufhin wieder auf ca. -70 mV, also
dem ursprünglichen Ruhepotential. Das Axon ist bereit für das
nächste Aktionspotential.
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Hilfreiche Videos
Caption: : Das Ruhepotential
Caption: : Ruhepotential und Aktionspotential
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Kontinuierliche Erregungsleitung
Wenn eine Erregung aufgenommen und bis hin zum Axonhügel
weitergeleitet wurde, entscheidet sich dort ob ein Aktionspotenzial ausgelößt wird. Bei dieser Erregungsweiterleitung gibt es aber Unterschiede. 1. Die kontinuierliche ErregungsleitungDabei wird die Erregung durch das Axon mittels einer
fortlaufenden Bildung des Aktionspotentials weitergeleitet.
Folglich muss an jeder Stelle des Axons eine Depolarisation stattfinden.
Die kontinuierliche Erregungsleitung ist v.a. bei wirbellosen Tieren wie Tintenfischen oder
Regenwürmer die Form der Erregungsweiterleitung. Tintenfische besitzen bis zu 1mm dicke Axone
(Riesenaxon), zurückzuführen auf evolutionäre Gründe: Denn die Geschwindigkeit der Erregungsleitung
lässt sich bei der fortlaufenden Bildung eines Aktionspotentials nur durch eine Vergrößerung des
Durchmessers steigern. Infolgedessen sinkt der Innenwiderstand des Axons und das Aktionspotential
kann schneller gebildet werden.
Caption: : Die kontinuierliche Erregungsleitung
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Saltatorische Erregungsleitung
2. Saltatorische Erregungsleitung: Wirbeltiere besitzen im Gegensatz zu den eben genannten Tintenfischen nach Außen hin eine
Isolierung des Axons. Fettreiche Lipide bilden die sogenannten Myelinscheiden und umhüllen
fortlaufend das Axon. Sie werden nur durch die Ranvierschen Schnürringe voneinander getrennt. Auf
diese Weise kann ein Aktionspotential nur an den nicht isolierten Ranvierschen Schnürringen
gebildet werden. Im Vergleich zur kontinuierlichen Erregungsleitung läuft die saltatorische um ein
vielfaches schneller ab. Die Erregung 'springt' innerhalb des Axons von Ranvierschem Schnürring zu
Ranvierschem Schnürring und überbrückt die nach Außen hin isolierenden Myelinscheiden. Eine
Depolarisation muss und kann nur an den unisolierten Schnürringen erfolgen. Bei der kontinuierlchen
Erregungsleitung gibt es die Myelinscheiden nicht und diese Bereiche müssen fortlaufend depolarisiert
werden, was mehr Zeit in Anspruch nimmt.
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Die Natrium-Kalium-Pumpe
Die Natrium-Kalium-Pumpe ist eine in der Zellmembran befindliche Ionenpumpe und sorgt aktiv für die
Aufrechterhaltung des Ruhemembranenpotentials. In einem Zyklus tauscht sie 3 Na+ Ionen gegen 2 K+ Ionen & sorgt
so für zunehmendes negatives Potenzial im Intrazellulärraum.
Caption: : Erklärvideo
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Die Natrium-Kalium-Pumpe II
Wirkungsweise:Die Pumpe ist zu Beginn nur dem Zellinneren
zugewandt &
auch nur für diese Seite offen. In der Ionenpumpe befinden sich
spezielle Carrierproteine an denen nur Kalium- & Natriumionen
andocken können. Die Carrierproteine
für Kalium sind in dem Moment, wo die Ionenpumpe zum Intrazellulärraum
hin geöffnet ist, aber
deaktiviert. So können nur Natrium Ionen an die 3 Bindungsstellen
andocken. Wenn alle
gleichartigen Carrierproteine besetzt sind, klappt der Mechanismus der
Pumpe um, wodurch sich die
Ionenpumpe zum Extrazellularaum hin öffnet und zum Intrazellularraum hin
schließt.
Durch diesen
Mechanismus stellt die Zelle sicher, dass wirklich nur ihre beförderten Ionen die Membranseite
wechseln. Der Prozess wiederholt sich jetzt mit Kalium: An den zwei Andockstellen der
Carrierproteine lagern sich die Kalium Ionen an. Der Mechanismus klappt wieder um und gibt die
beiden Kalium Ionen ins Zellinnere frei.
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Übungen
Hier findet ihr einige hilfreiche Links zu Überungsmaterialien:
Abiturübungsaufgabe vom bayerischen Staat: https://www.isb.bayern.de/download/916/neurobiologie.pdf
Klett Verlag - Sehr ausführliches Buchkapitel zur Neurobiologie (u.a. mit Übungsmaterial) http://www2.klett.de/sixcms/media.php/71/DO01045560_S130_153.pdf
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