Neurobiologie Übersicht

Neurobiologie (für das Abitur)

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
• 

Aufbau eines Neurons I

• 
• 
• Legenda: Abschnitte eines Neurons
• Legenda: Detailliertere Ansicht des Zellkörpers/Soma

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.

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.

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).

Ruhepotential Teil II

• 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.
• 
• Legenda: Am Ende liegt das Ruhepotantial

Das Ruhepotential

• 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.
• 
• Legenda: Das Ruhepotential

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
• 
• Legenda: Phasen des Aktionspotentials

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.

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.

Hilfreiche Videos

• https://www.youtube.com/watch?v=gYd5wQsngL4 (Incorporar)
• https://www.youtube.com/watch?v=lqq6lu3WouY (Incorporar)
• Legenda: Das Ruhepotential
• Legenda: Ruhepotential und Aktionspotential

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 Erregungsleitung
• Dabei 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.
• 
• Legenda: Die kontinuierliche Erregungsleitung

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.
• 

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.
• https://www.youtube.com/watch?v=2PpDMFz-1GA (Incorporar)
• Legenda: Erklärvideo

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.

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
• https://www.youtube.com/watch?v=j_Z8PWku768 (Incorporar)