Nervensystem Bio

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Nervensystem

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3. Nerven

3.1Einfhrungin das Nervensystem

Jeder vielzellige Organismus weist eine Differenzierung seiner Zellen auf. Diese bilden Gewebe und Organe, die sich auf unterschiedliche Aufgaben spezialisiert haben.Neben den Ausscheidungsorganen bei Wirbeltieren, denNierenfindet man die Verdauungsorgane (Mund, Magen, Darm), den Blutkreislauf, das Hormonsystem, das Immunsystem und dasNervensystem.

Das Nervensystem hat die Aufgabe der Informationsweiterleitung und Verarbeitung.Informationen oder Reize kommen von auerhalb und innerhalb des Organismus, werden von Sinneszellen oderRezeptoren(Sensoren) wahrgenommen, von Nervenzellen als Signale weitergeleitet und in Nervenzentren (Gehirnen) verarbeitet.Diese Zentren geben als Reaktion Informationen an andere Organsysteme oder Muskeln weiter. Bei den Wirbeltieren sind die Zentren Gehirn und Rckenmark. Man bezeichnet diese als Zentralnervensystem (ZNS). Von dieser Zentrale fhren Nerven (= gebndelte Nervenzellen) in den Krper ( =motorische Nerven) oder vom Krper zum ZNS (=sensorische Nerven).Selbst bei den einfachsten tierischen Organismen findet man spezialisierte Zellen die entweder Reize wahrnehmen oder die Reizinformation weiterleiten und verarbeiten. Alle mehrzelligen Tiere auer Schwmmen besitzen Nervensysteme.Abb. 1

Nervensystem des Menschen

Abb. 2

Nervensysteme

Bausteine dieser Nervensysteme sind alskleinste Einheit Nervenzellen(Neuronen). Sie bilden im Organismus das Nervensystem genannte Netzwerk und haben mit allen anderen Organsystemen und Geweben Kontakt. Neben den Neuronen besteht das Nervengewebe noch ausGliazellen, die oft Nervenzellen umgeben.

Der grte Teil der Nervenzellen des Nervensystems befindet sich im Gehirn. Diese verschalten die Information der ankommenden und abgehenden Nervenzellen. Man bezeichnet sie deshalb alsInterneuronen.3. 1 NervenzellenNervenzellen oderNeuronenhaben einen im Vergleich zu anderen Zellen ungewhnlichen Aufbau. Viele Pflanzenzellen sind eher geometrisch oder lnglich geformt, Tierzellen im allgemeinen rundlich, Nervenzellen besitzen spezielle Fortstze.Abb. 3

Nervensystem eines Froschs

Abb. 4

Neuronentypen

InAbb. 4sieht man verschiedene Neurontypen. Das multipolare Neuron findet man als typischesMotoneuron(=motorische Nervenzelle), eine Nervenzelle, die ihre Information letztendlich an einen Muskel weiterleitet. Man kann 3 Bereiche ausmachen:denZellkrperoder dasPerikaryon( = Soma) in dem der sich der Hauptteil des Cytoplasmas mit den Organellen befindet,dieDendritenals kurze Fortstze am Zellkrperund einen langen Fortsatz, derNeuritoder dasAxonmit einem verzweigten Ende mit Verdickungen (=Endknpfchen. )Das Perikaryon besitzt einen groen Zellkern und Nukleolus. Auerdem ist das rauhe ER (wurde frher ]als Nissl-Schollen bezeichnet) reichlich vorhanden. Im Bereich des Axonhgels sind viele Mikrotubuli erkennbar.

Diesen grundstzlichen Aufbau findet man in abgewandelter Form bei allen Nervenzellen, egal ob sie im Gehirn, in der Netzhaut der Augen oder im Rckenmark liegen.Alle Nervenzellen des Nervensystems kann mannach der Richtung ihrer Informationsweitergabeeinteilen.3.1.1 Bauund Vorkommen von marklosen und markhaltigen NervenzellenBetrachtet man die oben vorgestellten Neuronen genauer, erkennt man mehrere Typen.Motorische Neuronenbesitzen kurze Dendriten und ein langes Axon. Sie bertragen Informationvom Gehirn zu Muskeln oder Drsen. Andere Neuronen wie z. B. im Rckenmark (siehe oben) haben lange Dendriten und ein kurzes Axon. Es sind meistsensorische Neuronen, die Informationvon Sinnesorganen zum Zentralnervensystembefrdern.Interneuronenoder Zwischeneuronen sitzen im Zentralnervensystem (siehe oben rechts aus dem Grohirn) und verbinden Neuronen untereinander.Die langen Axone derMotoneuronendurchlaufen in Bndeln den Krper. Dies sind die landlufig bekanntenNerven. Sie sind von Bindegewebe umgeben, Blutgefe versorgen die Zellen mit Nahrung.

Den Bereich, wo der Zellkrper in das Axon bergeht nennt manAxonhgel. Fast alle Neuronen der Wirbeltiere besitzen eine segmentierte Hlle um das Axon. Man nennt diese HlleSchwannsche ScheideoderMarkscheide(=Myelinscheide). Sie wird aus einzelnen abgeplatteten Zellen (Schwannsche Zellen) gebildet, die in ca. 1 mm Abstnden um das Axon gewickelt sind. Die Lcken dazwischen nennt manRanviersche Schnrringe. (siehe unten links)

Man nennt solche Neuronenmarkhaltige Neuronen.InAbb. 8ist der Querschnitt durch ein solches Axon mit der Schwannschen Zelle zu sehen.

InAbb. 9ist die mikroskopische Aufnahme des Querschnitts eines Nervs abgebildet. Die dunkle Umrandung der runden Strukturen (Axone) ist dieMyelinscheide.

Abb. 10zeigt das elektronenmikroskopische Bild eines Querschnitts durch ein myelinisiertes Axon.Im Lngsschnitt sieht ein Ausschnitt aus einem Axon einer solchen Nervenzelle so aus (Abb. 11):

Am Ende des Axons findet man Verdickungen oder fuartige Strukturen. Man nennt diese bei einem Neuron, das Kontakt mit einer anderen Nervenzelle hat Endknpfchen oderprsynaptische Endigung. Bei einem Neuron, das zu einem Muskel fhrt, nennt man esmotorische Endplatte. In Kapitel 3.1.6 werden uns nher damit beschftigen.Bei den wirbellosen Tieren ( Insekten, Spinnen, Wrmern, Krebsen, Weichtieren usw.) gibt es nur marklose Axone, also ohne Schwannsche Scheide.Bei derMultiplen Sklerosewird durch eine Autoimmun-Reaktion die Myelinscheide im ZNS zerstrt.Reife Neuronen knnen sich nicht mehr teilen, knnen mehr als hundert Jahre alt werden und sind ausschlielich auf Sauerstoff und Glucose angewiesen (Zellatmung). Sie sterben ohne Sauerstoff nach einigen Minuten.

3.1.2 Prinzip der biologischen Informationsbertragung (Teil 1)

Das Nervensystem als Informationsbertragungssystem basiert auf 3 Elementen: Sinnesorgane(= Rezeptoren) zur Informationsaufnahme (= Reizaufnahme) Neuronenzur Informationsweiterleitung und Verarbeitung Muskeln und Drsenzur Ausfhrung einer Reaktion (= Effektoren)Durch dieses Prinzip werden bei hheren Organismen Muskeln, Organe und Drsenfunktionen gesteuert. Vergleicht man die im Organismus der Vielzeller auftretenden Steuerungsvorgnge, kann man unterschiedliche Steuerungsmechanismen feststellen.

Das ZNS steuert ber motorische Nerven (= efferente Neuronen) alle Skelettmuskeln und Drsen und die inneren Organe (Herz, Lunge, Darm Niere usw.). Von diesen Organen gelangt ebenfalls Information ber ihren Zustand ber sensorische Nerven (= afferente Neuronen) zum ZNS. Die Skelettmuskeln knnen beliebigfreiwilliggesteuert werden. Die inneren Organe und Drsen dagegen nicht, sie sindautonom.Die Information von den Sinnesorganen wie (Auge, Ohr oder denen in der Haut) gelangtbewutzum ZNS, die Information von den inneren Organenunbewut.Man teilt deshalb das gesamte Nervensystem der in 3 Bereiche auf: Peripheres Nervensystem( Neuronen, die zu Skelettmuskeln fhren) Vegetatives Nervensystem(Neuronen, die zu inneren Organen und Drsen fhren) Zentralnervensystem(Neuronen im Gehirn und Rckenmark)Neben dem Nervensystem als Informationsbertragungssystem steuert der Organismus seine Organe durchHormone(= Botenstoffe). Das Gehirn ist die Steuerzentrale fr beides.Die Information kann von auerhalb des Organismus kommen und wird dann vonExterorezeptorenwahrgenommen (Auge, Nase, Ohr, Tastsinnesorgane usw.) oder von innerhalb des Krpers (CO2/O2-Gehalt des Blutes, Gelenkstellung, Muskelzustand). Die Sinnesorgane, die die Information aus dem Inneren des Krpers wahrnehmen nennt manEnterorezeptoren).Die Steuerung der Muskeln kann man sich z. B. am Beispiel der Bewegung eines Krperteils klarmachen.Bei unserem Beispiel soll die Information nicht vom Gehirn sondern von auen kommen, z. B. durch einen Schlag auf die Kniesehne. Diese Sehne befestigt den Oberschenkelmuskel am Schienbein.Die Bewegung des Unterschenkels hngt u.a. von der Kontraktion und Entspannung der Oberschenkelmuskeln ab. Hier sind 2 Muskeln wichtig, die am Schienbein befestigt sind: einBeuger(u.a. Biceps femoris) an der Unterseite des Oberschenkels und einStrecker(Quatriceps femoris) an der oberen Seite. Soll der Unterschenkel gestreckt werden, mu sich der Strecker kontrahieren und der Beuger entspannen. Die Steuerung der Muskelbewegung wird durch 3 Neuronen und einen Rezeptor bewerkstelligt.Abb. 12

Informationssystem im Organismus

Abb. 12

Reflexbogen

Reiz von auen ist ein Schlag auf die Kniesehne. Dadurch wird der Strecker des Oberschenkels gedehnt, die Rezeptoren in den Muskelspindeln nehmen dies wahr und leiten die Erregung ber ein sensorisches Neuron(violett) zum Rckenmark. Dort befindet sich im Inneren (grau), eine Schaltstelle zu einem weiteren Neuron (blau), motorisches Neuron), das die Erregung wieder zurck zum gleichen Muskel leitet und diesen zur Kontraktion veranlat -----> der Unterschenkel schnellt nach oben.Gleichzeitig wird die Information auf ein Interneuron verschalten, das die Information blockiert, so da ber ein anderesmotorisches Neuron(rot) in den Beuger des Oberschenkels keine Information gelangt, weshalb sich dieser entspannt.Die Kontaktstellen der Nervenzellen untereinander und die Kontaktstelle des roten Neurons mit dem Muskel nennt manSynapse.Diese bogenfrmige Informationsweitergabe ber das Rckenmark nennt manReflexbogen, die Verhaltensweise auf den Reiz einenReflex.Nun ergibt sich die Frage, wie die Information entlang der Neuronen weitergeleitet werden. Bei den Nervenzellen aller Organismen hat sich das gleiche Prinzip herausgestellt:Information wird durch elektrischen Stromweitergeleitet. Dies hat schon 1791 Luigi Galvani bei Frschen festgestellt.Dabei haben Sinneszellen die Aufgabe Reize in elektrische Signale umzuwandeln, Nervenzellen leiten diese elektrischen Signale weiter und Muskelzellen reagieren auf diese elektrischen Signale mit Kontraktion.In den elektrischen Signalen mu die Reizinformation wie stark, schwach, lang, kurz enthalten sein.Diese Art der Weitergabe unterschiedlichster Information ber ein Medium macht man sich auch in der Technik zu nutze.Eine Lautsprecherbox produziert Schall je nach Signal aus dem angeschlossenen Verstrker. Die vom Lautsprecher produziertenSchallwellen alsMediumbertragen Sprache, Musik oder Gerusche; diese knnen laut, leise, impulsartig kurz oder langanhaltend sein. Das elektrische Signal (elektrischer Strom), das die Lautsprecherbox fttert, mu schon diese Information enthalten haben.Die gleiche Information kann jedoch auch durch elektromagnetische Wellen per Funk bertragen werden. DasMediumsind hier dieelektromagnetischen Wellen, die Information ist die gleiche.3.1.3 Ruhepotential am Neuron, Ionenverteilung, Na/K-PumpeDie Neuronen besitzen wie alle Zellen im Cytoplasma eine andere Stoffkonzentration als auerhalb. Die Zellmembran ist semipermeabel und besitzt Tunnelproteine zum gezielten Stofftransport (siehe Biologiekurs Klasse 11).Die grundlegenden Untersuchungen zu den elektrischen Eigenschaften der Neuronen wurden u.a. von A.L. Hodgkin am Riesenaxon des Tintenfischs in den 30er und 40er Jahren gemacht. (Nobelpreis 1963 fr Medizin) Abb. 13 zeigt einen solchen Tintenfisch der OrdnungTeuthoidea.Ursachen des RuhepotentialsVerantwortlich fr die unterschiedliche Verteilung bestimmter Stoffe an der Membran sind: die Ionenkanle (Tunnelproteine) die Na/K-Pumpen3.1.3.1 Na/K-PumpeEine wesentliche Rolle bei der Informationsbertragung der Neuronen, Sinnes- und Muskelzellen spielen ( obwohl in allen Zellmembranen vorhanden) die ATP-abhngigenNa+/K+-Pumpen(Antiport), die gegen den elektrochemischen Gradienten Na+aus der Zelle und K+in die Zelle transportieren. Dabei werden 3 Na+aus der Zelle und 2 K+in die Zelle gepumpt. So wird auerhalb der tierischen Zellen eine hohe Na+-Konzentration und innerhalb eine hohe K+-Konzentration aufrecherhalten. Die Ionenbewegung bentigt 42,8 KJ/Mol also ist1 ATPnotwendig.(in vivo mehr als 30,6 KJ)

Die Aktivitt der Na/K-Pumpe sorgt so fr eine unterschiedliche Verteilung ( = Gradient) der Ionen innerhalb und auerhalb der Zelle.Die Na/K-Pumpe kann durch Giftstoffe wieOuabain(= G-Strophanthin) einem Derivat von Digitalis aus dem roten Fingerhut (Digitalis Purpurea;ScrophulariaceaesieheAbb. 15) blockiert werden.Diese Pflanze enthlt vor allem in den Blttern sogenannte(Herz-)Glycoside (=Digitalis),die in der Medizin therapeutisch als Muskel- und Herzrstimulans eingesetzt wird. Darunter sind DIGITALIN, DIGITOXIN, DIGOXIN, DIGILOXIN, DIGITONIN, GITALIN, STROPHANTHIN, PROSCILLARIDIN , LANTANOSIDE, und DIGITALEIN.Digitoxinhat die strkste Giftwirkung. Symptome sind belkeit, Erbrechen, unregelmiger Herzschlag, Haluzinationen, Koma. Groe Konzentrationen knnen zum Tod durch Lhmung fhren.Weit verbreitet istDigoxinaus Digitalis lanata zur Behandlung von Herzrhythmusstrungen (seit ca. 200 Jahren bekannt)Die Wirkung der Digitalis-Toxine beruht auf Hemmung der Na/K-Pumpe, was zum bermigen Einstrom von Na+und Ca2+in die Zellen fhrt. Dies sorgt in den motorischen Endplatten der Neuronen fr die Produktion von bertrgerstoffen (Neurotransmitter), die Muskeln vor allem im Herz zur Kontraktion anregen.Die Digitalis-Glycoside haben ihren Namen von der glycosidischen Verbindung mit einem Zucker (Abb. 15Ouabain, verbunden mit Mannose).Im Wesentlichen ist Ouabain einSteroidderivat, die Grundstruktur ist z.B. den Sexualhormonen hnlich, auch die Wirkung ist hormonhnlich.Neben Digitalis gibt es noch andere, die Na/K-Pumpe hemmende Stoffe.3.1.3.2 Ionenkanle (Tunnelproteine)Die Zellmembran ist fr Ionen unterschiedlich permeabel. Dies liegt an den verschiedenen Tunnelproteinen, die je nach Ion geschlossen oder geffnet sind. Die Tunnelproteine werden brigens nach den transportierten Ionen genannt, alsoNa+-Kanal,K+-Kanal,Cl--Kanal,Ca2+-Kanalusw. womit auch gleich die wichtigsten genannt sind.Die Na+-Kanle sind normalerweise geschlossen. DieNa+-Ionenknnen die Membran nur schlecht passieren, weshalb die Na+ - Konzentration auen gro ist. Demgegenber sind viele K+-Kanle offen, soda dieK+-Ionengut durch die Membran diffundieren knnen.

NegativeChlorid-Ionensind ebenfalls auen in hherer Konzentration vorhanden. Sie knnen ebenfalls gut die Membran passieren.Im Cytoplasma befinden sich noch negativ geladeneProteine, die wegen ihrer Gre nicht durch die Membran diffundieren knnen.Insgesamt ergeben sich folgende Konzentrationen an einer typische Nervenzelle, die gerade keine Information leitet (=Ruhezustand):Ladungstrger[Konz.] extrazellulre Flssigkeit[Konz.] Cytoplasma

Na+140 mM14 mM

K+4 mM157 mM

Cl-100 mM10 mM

Ca2+2,5 mM

Protein-Spuren150 mM

die Werte in der Tabelle gelten auch fr alle anderen Zellen der SugetiereBisher haben wir immer Stoffe bezglich ihrer Konzentration betrachtet. Ionen besitzen jedoch eine Ladung und Konzentrationsgradienten von Ladungstrgern durch eine Membran sorgen deshalb fr eine Ladungstrennung also eineSpannung. Deshalb kann man bei allen Zellen eine Spannung zwischen dem Cytoplasma und auen messen. Sie betrgt bei Neuronen im Ruhezustand z. B. beim Menschen ca. -70 mV. Man spricht vonRuhespannungoderRuhepotential. (Die Werte knnen zwischen -70 und -90 mV differieren)Die negative Polaritt entsteht, wie oben ausgefhrt durch das bergewicht an positiven Ladungen (Na+) auen und beim Mevorgang durch das Einstechen der +-Elektrode im Axonplasma.Abb. 13

TintenfischTeuthoidea

Abb. 14

Na/K-Pumpe

Abb. 15

Digitalis-Glycosid Ouabain

Abb. 16

Ionenkanle

Abb. 17

Ladungsverteilung am Neuron

Abb. 18

Messung des Ruhepotentials

Das besondere an den Ionenkanlen der Neuronen ist, da dieNa+- und Ca2+-Kanlespannungsgesteuertsind. Sie ffnen sich, wenn die Spannung innen positiver wird und schlieen sich spontan wieder. Man kann das Ganze mit einem Klappmechanismus vergleichen: Spannung wird im Vergleich zum Ruhepotential positiver ----> Na+-Kanle klappen an diesem Ort auf und klappen nach ca. 2 ms wieder zu.Die Ca2+-Kanle spielen entlang des Axons keine Rolle, jedoch am Ende an den Endknpfchen.Die Ca2+-Konzentration ist im Cytoplasma sehr gering. Bei den K+-Kanlen sind viele nicht spannungsgesteuert, das heit sie sind im Ruhezustand des Axons offen. Einige spannungsgesteuerte ffnen sich allerdings bei positiver Membranspannung. Wird das Membraninnere negativ, schlieen sie sich wieder.Computermodelle der Ionenkanle sind hier zu sehen:Ionenkanle3.1.3.3 Ionenbewegungen im Ruhepotential (RP) (Zusammenfassung)2 Faktoren bestimmen das Ruhepotential:----> ein osmotischer und ein elektrischer Effekt.DiePermeabilitt der Na+-Ionen ist geringwegen der geschlossenen Na+-Kanle und dem Auswrtstransport der Na-Ionen durch die Na/K-Pumpe.DiePermeabilitt der K+-Ionen ist growegen der offenen K+-Kanle und dem Einwrtstransport der K+Ionen durch die Na/K-Pumpe.----> K+-Diffusionsgradient bestimmt die Ruhespannung.K+-Ionen diffundieren solange nach auen, bis zwischen Diffusion entlang dem Gradienten und der elektrischen Anziehung der K+-Ionen durch das negative Zellinnere (Protein-, Cl-) einGleichgewichtherrscht. Die Proteine knnen wegen der Gre nicht nach auen diffundieren, Cl--Ionen sammeln sich eher auen wegen der elektrischen Anziehung durch die Na+-Ionen an.

Abb. 19

Elektrische Situation an der Membran

An der Membran herrscht eine Ladungstrennung (Ruhezustand, RP):auen:positiv; innennegativLadungstrger sind Ionen.Spannung: -70 mV

3.1.4 Aktionspotential, De-, Repolarisierung, Refraktrzeit, Schwellenwert

3.1.4.1 Grundlagen der Elektrizittslehre

In technischen Anwendungen sind meist Elektronen die Ladungstrger. In jedem Netzkabel von Gerten wie Bgeleisen, Walkman, Fernsehgert oder PC flieen in den Kupferleitungen Elektronen aus der Steckdose in das Gert (Verbraucher) und zurck. Dafr kann man sogenannte Schaltkreise zeichnen, und stellt die beteiligten Strukturen als Symbole dar.

Zwischen den Orten unterschiedlicher Ladung ( = Polen) herrscht eine Spannung.Strom fliet auch nur im geschlossenen Stromkreis. Der Strom hat dabei verschiedene Wirkungen: Wrmewirkung(Leiter oder Verbraucher setzen dem Strom einen Widerstand entgegen; dabei geht Energie in Form von Wrme verloren) Magnetwirkung( Bewegte elektrische Ladungen erzeugen um sich ein Kraftfeld (elektromagnetisches Feld ) Lichtwirkung(Stromflu in Gasen regen die Gasatome (Molekle) zur Lichtabstrahlung an, z.B. Glimmlampe) Chemische Wirkung(Stromflu in leitenden Flssigkeiten sorgen fr chemische Reaktionen, z. B. Akkumulator)Die Wrme- und Magnetwirkung tritt immer auf.Der elektrische Strom (I) wird mit einem Strommesser (Amperemeter) gemessen, die Einheit ist Ampere (A).Die elektrische Spannung (U) wird mit einem Spannungsmessgert (Voltmeter) zwischen beiden Polen gemessen, die Einheit ist Volt (V). Die Spannung ist die Ursache des Stroms.Der Widerstand wird mit einem Ohmmeter gemessen und hat die EinheitOhm (W).Er hngt von der Lnge der Leitung und vom Leitermaterial (spezif. Widerstand) ab.R =x l/AR= Widerstand;= spezifischer Widerstand; l = Lnge des Leiters; A= Querschnittsflche des Leiters

Der Strom hngt von Spannung und Widerstand ab: I = U/R (Ohmsches Gesetz)

Die Menge Ladungen an einem Pol wirdPotentialgenannt. Spannung ist demnach einePotentialdifferenz. Ladungstrger in den Zellen sind Ionen.Zellen besitzen deshalb einMembranpotential, die Ladungsverhltnisse im Ruhezustand nennt man ( siehe oben)Ruhepotentialund die Ladungsverhltnisse whrend einer InformationsweitergabeAktionspotential.Die Axone als leitende Strukturen mssen einenWiderstandbesitzen. Um die Axone, die den Strom leiten wird einelektromagnetisches Feldaufgebaut.Markhaltige Axone sind durch die Schwannsche Scheide isoliert.3.1.4.2 nderung des MembranpotentialsSinnes-Nerven-und Muskelzellen sind die einzigen Zellen, die auf einen Stimulus (Reiz) hin ihr Membranpotential ndern knnen. Diese Potentialnderung entsteht, wenn Information von einer Sinneszelle bertragen wird, oder anderen Nervenzellen bertragen werden, oder wenn das Neuronknstlichdurch Anlegen einer Spannung, oder nderung der Ionenkonzentrationen erregt wird.Auch durch Druck kann eine Membranpotentialnderung ausgelst werden.Abb. 20

Schaltkreis

EinVerbraucherist ein Gert, das die Energie des Stroms fr seinen Betrieb nutzt.Die Elektronen flieen von einem Ort des berschusses (negativer Pol) zum Ort mit Elektronenmangel (positiver Pol). Dies entspricht eigentlich dem Diffusionsprinzip: Teilchen bewegen sich immer vom Ort hherer Konzentration zum Ort mit niedrigerer Stoffkonzentration. In der Technik hat man allerdings die Stromrichtung umgekehrt definiert:Elektrischer Strom flietvon+nach-.

Abb. 21

Ladungstrennung

Abb. 22

Erregung am Axon

Wirbwollen imbWeiteren nur diebbiologische Erregungbder Neuronenbbesprechen. Trifft alsobInformation von einer Sinnenszelleboder banderen Nervenzellen auf ein Neuron, kann man vom Ort der Informationsbertragung ausgehend eine nderung der Ladungsverhltnisse ( Spannungsnderung) messen, die amAxonhgelentsteht und in Richtung Endknpfchen entlangwandert. Man nennt diese Potentialnderung am AxonAktionspotential(AP).

Mit der Meanordnung, die wir aus dem vorigen Kapitel kennen (siehe links) oder einem einfachen Voltmeter mit Verstrker knnen wir am Ort der Erregung die Membranpotential-nderung in Form derSpannungsnderungfeststellen. Sie dauert bei der Nervenzelle ca. 5 ms, dann ist die erregte Stelle wieder zum Ruhezustand zurckgekehrt. Die Spannung ndert sich beim Aktionspotential schlagartig auf ca. + 50 mV. Interessant ist, da durch diese Erregung entlang des Axons eineKettenreaktionausgelst wird. und pltzlich die benachbarte Stelle erregt wird, die Membranspannung ndert sich dort und kehrt wieder zum Ruhezustand zurck usw.Das Aktionspotential wandert zum Endknpfchen und lst dort verschiedene Vorgnge aus, die zur Informationsweitergabe in die nchste Zelle fhren. (siehe nchstes Kapitel)Die Ursache dieser Spannungsnderung kann nur eine nderung der Ladungsverhltnisse sein. Und dies mu durch genderte Membranpermeabilitt der Ionen hervorgerufen worden sein. Genauere Untersuchungen bewiesen, da die zu Beginn genannten Stimuli lokal zu einem ffnen der Na+-Kanle fhren. Dadurch strmen schlagartig aufgrund des Na+-GradientenNa+-Ionen in die Zelle, was zu einer Ladungsumkehr (auen negativ) fhrt.Abb. 23

Messung des AP am Axon

Abb. 24

Erregungsleitung am Axon

( Wir wollen hier die AP-Entstehung am marklosen Axon besprechen)Der zeitliche Verlauf der Spannungsnderung sieht wie links ersichtlich aus. Der aufsteigene Ast der Kurve zeigt die durch das ffnen der Na+-Kanle hervorgerufeneDepolarisierung(Na+-Einstrom). Sie ffnen sich erst vollstndig, wenn die Spannung innen einen Wert von ca. -55 mV erreicht hat . Man nennt dies denSchwellenwert. Bei ca. + 50 mV sind die Na+-Kanle maximal geffnet. Durch die positive Ladung innen ffnen sich nunspannungsgesteuerte K+-Kanleund die K+-Ionen strmen nach auen, die Membran wird repolarisiert. Beide Kanle schlieen sich wieder. Durch die verzgerte Schlieung der K+-Kanle befindet sich kurze Zeit mehr positive Ladung auerhalb, was zu einerHyperpolarisierungder Membran fhrt, d.h. man kann eine kurzeitig niedrigere Spannung messen. Die Na/K-Pumpe trgt ebenfalls zur Repolarisation bei. Der Ruhezustand stellt sich nach ca. 4 ms wieder ein.

In der Zeit bis der Ruhezustand wiederhergestellt ist, also die Na+- und K+-Kanle wieder geschlossen sind, ist die Membranstellenicht erneut erregbar. Man nennt diese ZeitRefraktrperiode.Ein solches Aktionspotential entsteht jedoch nur, wenn der Reiz gro genug ist, also eine ffnung der Na+-Kanle ber den Schwellenwert ermglicht. Dann entwickelt sich das Aktionspotential immer mit der gleichen Amplitude. Man spricht deshalb auch von einerAlles-oder Nichts-Reaktion.Solche kurzfristigen Spannungsnderungen wie die APs nennt man auchImpulse. Das Neuron reagiert auf eine Reizung solange mit APs, bis der Reiz beendet ist, d.h. es entsteht eine ganze Salve von Impulsen. Spannungsgesteuerte Ionenkanle sind keine tierische Erfindung. Man findet sie auch in Pflanzen wie der SwasseralgeChara.Auf eine elektrische Reizung der Zelle werden sehr lang anhaltende Aktionspotentiale produziert.

3.1.5 Weiterleitung des APWie schon erwhnt, lst ein AP eine Kettenreaktion entlang des Axons aus. Kaum hat Depolarisation stattgefunden, wird die benachbarte Stelle erregt usw. Die zuvor erregte Stelle repolarisiert sich und befindet sich in der Refraktrperiode, d.h die Weiterleitung findet nur in eine Richtung statt. So wird ein AP entlang des Axons kontinuierlich weitergeleitet. Man nennt diese Art der Weiterleitung beim marklosen Axon deshalbkontinuierliche Erregungsleitung.Die Leitungsgeschwindigkeit betrgt zwischen1- 3Sec

Beim markhaltigen Axon verhindert die Schwannsche Scheide die Erregung der direkt benachbarten Stellen. APs knnen auch nur an den Ranvierschen Schnrringen entstehen. Die Wechselwirkung der Ionen kann ebenfalls nur dort stattfinden. Die Vorgnge zeigt nachfolgendes Bild.

Da sich die Schnrringe in ca. 1mm Abstand befinden, ensteht im markhaltigen Axon alle 1 mm ein AP. Die Erregung wird somit viel schneller weitergeleitet, bis 130 m/Sec. Man nennt die von Schnrring zu Schnrring hpfende Erregungsaltatorische Erregungsleitung.Im Sugetierorganismus sind die Neuronen, die von den Schmerzsinnesorganen der Haut die Information zum Gehirn leiten marklos, alle anderen also z. B. die Neuronen, die mit den Tastsinnesorganen der Haut Kontakt haben markhaltig. Deshalb fhlt man zunchst die Berhrung und dann nach ca. 1 Sekunde den Schmerz.3.1.5.1 LeitungsgeschwindigkeitDie Leitungsgeschwindigkeit hngt vom Axonquerschnitt (also dem Leitungswiderstand, Widerstand des Axonplasmas) und der Kapazitt der Membran ab. Unter Kapazitt wird in der Elektronik die Fhigkeit verstanden, Ladungen zu speichern (z.B. in einem Kondensator). Die Axonmembran absorbiert Ladungen, die sonst fr den Stromflu zur Verfgung stehen knnten. Die Kapazitt der Membran ist bei markhaltigen Axonen geringer, da durch die Myelinscheide der Ladungstransport nur an den Schnrringen geschehen kann und so weniger Ladungsspeicherung in der Membran stattfindet.Die Leitungsgeschwindigkeit ist (siehe oben) umgekehrt proportional der Axonlnge und proportional dem Axonquerschnitt. Deshalb haben die Riesenaxone der Tintenfische (marklos) die grte Leitungsgeschwindigkeit unter den marklosen Axonen. Das Axon des TintenfischsLoligo pealei(siehe Abb. 29) ist 10 cm lang und hat einen 100 x greren Durchmesser wie Sugetieraxone.AxonDurchmesser ( mm)spez. WiderstandWcmLeitungsgeschwindigkeit(m/Sec)

A-Faser (peripher, afferent, markhaltig)1-20ca. 1255-120

B-Faser (visceral,afferent, markhaltig)< 4ca. 1253-15

C-Faser (Hautschmerz, afferent, marklos)0,3 - 1,5ca. 1250,6 -3

Riesenaxon Tintenfisch500-1000ca. 30max. 20

Frosch /Hummer Muskelneuron75ca. 250

spezif. Widerstand Cu= 1,78 x10-6WcmLeitungsgeschwindigkeit Sugetiere (periphere Nerven) = Groe Fasern = 6 x Durchmesser inmm Kleine Fasern unter 11mm = 4,5 x Durchmesser inmm3.1.5.2 EnergiebedarfDurch die stndige Arbeit der Na/K-Pumpen ist die Erregungsleitung an den Nervenzellen stark energiebedrftig. Man schtzt, da beim Mensch ca. 25% des gesamten Energiebedarfs (ca. 9000 KJ/Tag) vom Nervensystem bentigt wird. Wenn man sich berlegt, wieviel Zellen unseres Krpers allein Neuronen sind ( ca. 1012), wird dies verstndlich.Eine berschlagsrechnung kann Hinweise auf den Bedarf an Energie geben:

Whrend eines Aktionspotentials diffundieren ca. 3 pMol/cm2Na+und K+- durch die Axonmembran eines Tintenfischs. Pro Sekunde laufen ca. 9 Impulse ber dieses Axon. Die Na/K-Pumpe bentigt fr 3 pM Na+1 pMol ATP. Das Axon ist ca. 10 cm lang., d.h. pro Tag werden bei dauerender Aktivitt ca. 8mMol ATP verbraucht, d.h0,3 J.Abb. 25

AP

Abb. 26

APs bei Algen

Abb. 27

Repolarisation

Abb. 28

Errgungsleitung am markhaltigen Axon

Abb. 29

Tintenfisch

Abb. 30

Energiebedarf beim Tintenfisch

3.1.6 Codierung der Information, Reizstrke, Reizart

Wir wissen nun, da ein Neuron auf einen Reiz hin die Membranpolaritt ndert, es entsteht am Axonhgel ein AP, das am Axon zum Endknpfchen entlangwandert. Wir wollen uns nun den Zusammenhang zwischen Reizung an einer Sinneszelle und Weiterleitung am Neuron genauer anschauen.Dazu betrachten wir noch einmal den zu Beginn schon besprochenen Dehnungsreflex am Knie. Zu beachten ist, da nurberschwellige Reize in APs transformiertwerden.

Der Dehnungssensor (Sinnesnervenzelle; Typ II, primre Endigung; afferent) hat mit vielen Dendriten Kontakt mit den Muskelfasern. Die Dendriten nehmen den Reiz auf. Mit einem Voltmeter messen wir die erwartete Spannungsnderung am Zellkrper und am ableitenden Axon. Wir wollen den Muskel durch Dehnung einmal schwach und dann stark reizen, die Reizstrke soll zeitlich jeweils gleichbleibend sein.Ein Reiz kann allgemein mindestens 3 Eigenschaften haben: Reizart (-qualitt) Reizdauer Reizstrke.Die Reizqualitt wird durch das entsprechende Sinnesorgan codiert, d. h. jede Reizart wird durch ein bestimmtes Sinnesorgan wahrgenommen und durch spezielle Neuronen dem Gehirn vermittelt. Licht wird durch den Sehnerv, Schall durch den Hrnerv usw. vermittelt. Man nennt diesKanalspezifitt. Analysieren wir fr die beiden Reizeigenschaften Dauer und Strke die obige Abbildung.Wird der Muskel gedehnt, kann man fr die Dauer der Dehnung am Zellkrper eine Spannungsnderung mit charakteristischer Form messen. Sie ensteht nicht als Impuls sondern als lnger anhaltende nderung. Man nennt sieGenerator- oderRezeptorpotential. Am Axonhgel entstehen daraufhin, solange der Reiz anhlt, APs mit einer bestimmten Frequenz, die am Axon entlanglaufen. Bei strkerer Reizung entsteht fr die gleiche Dauer eine hhere Frequenz an Impulsen.Offensichtlich wird die Reizstrke als Impulsfrequenz codiert, die Dauer der Erregung entspricht der Reizdauer.Betrachten wir weitere Sinnesleistungen.

Die Dehnungsrezeptoren des Krebsmuskels zeigen ein neues Phnomen.Ein Reiz mit gleichbleibender Strke erzeugt ein Rezeptorpotential gleicher Dauer, das jedoch in seiner Strke gegen Ende abfllt. Enstprechend entsteht am ableitenden Axon eine AP-Folge mit sinkender Frequenz. Die Frequenz wird also moduliert (Frequenzmodulation). Man nennt das Abfallen des RezeptorpotentialsReizadaptation. Die Sinneszelle, die auf einen gleichbleibenden Reiz ein zunchst starkes, dann auf ein gleichbleibendes Niveau abfallendes Rezeptorpotential erzeugt nennt manphasisch-tonische Sinneszelle.Solche Reizadaptation findet man auch bei den sensorischen Fasern des Typs Ia beim Menschen.

InAbb. 33ist eine Simulation einer langsam und schnell adaptierenden Sinneszelle zu sehen. Die Pacinischen Krperchen in der Haut (Beschleunigungsrezeptoren) sind schnell adaptierend, die Ruffinischen Krperchen (Wrmesensoren) langsam adaptierend.berhaupt ist die Haut der Sugetiere voll von verschiedenen Sinnesorganen. Einige sind nachfolgend dargestellt.

Freie Nervenendigungen:reagieren phasisch-tonisch; (AP-Frequenz sinkt auf konstanten Wert)

Die Reaktion einesPacinischen Krperchenauf unterschiedlicheDauerreizeist links dargestellt. Konstanter Druck, egal welcher Strke lst keine AP-Frequenzen aus. Sinusfrmige Dauerreizung, also periodische nderung der Reizstrke produziert AP-Frequenzen in Abhngigkeit von der Reizfrequenz. Die phasische Eigenschaft des Sinnesorgans kommt nicht zum Ausdruck, da ein Dauerreiz vorliegt.Nachfolgend ist die Reaktion einesKlterezeptorsin der Haut von Sugetieren auf unterschiedliche Abkhlung abgebildet.

Je strker die Abkhlung, desto hher die AP-Sequenz. Die Reaktion ist phasisch-tonisch. Zum Abschlu wollen wir noch die Reaktion von Lichtsinneszellen betrachten.Lichtsinneszellen in den Augen der Wirbeltiere haben eine bemerkenswerte Struktur. Sie bestehen aus einem lnglichen Auensegment, die Membranscheiben enthalten, einem Mittelteil, was die Zellorganellen enthlt und einem Innensegment mit dem groen Zellkern. Man findet 2 Zelltypen: Stbchen und Zapfen.Trifft Licht auf die Zelle, entsteht im Mittelteil eine Membranpotentialnderung, die unten abgebildet ist.

Wie man sieht, entsteht als Generatorpotential eine Hyperpolarisation entsprechend der Reizstrke. Am ableitenden Axon kann eine abnehmende Impulsfrequenz beobachtet werden. Die Frequenz ist umso hher, je strker die Hyperpolarisierung war.Zusammenfassung Im Allgemeinen ist die AP-Frequenz dem Logarithmus der Reizstrke proportional. Das Rezeptorpotential ist eine abfallende Potentialnderung am Zellkrper der Sinneszelle entweder als Hyperpolarisation oder Depolarisation. Es nimmt mit der Entfernung ab und pflanzt sich nicht wie APs fort. Je strker das Generatorpotential, desto hher die AP-Frequenz am Axon. Die meisten Rezeptoren zeigen Reizadaptation, d.h. trotz konstanten Reizes fallt die AP-Frequenz ab. Es gibt schnell ( Geruck, Geschmack) und langsam adaptierende Rezeptoren (Schmerz). Ein Reiz wird nur als AP weitergeleitet, wenn die Reizschwelle berschritten ist

Abb. 31

Reiztransformation

Abb. 32

Dehnungsrezeptor

Abb. 33

Phasisch-tonische Sinneszelle

Abb. 34

Haut

Abb. 35

Phasische Sinneszelle

Meissnersche Tastkrperchenreagierenphasisch(AP-Frequenz sinkt auf Null)

Pacinische Krperchenreagieren phasisch(AP-Frequenz sinkt mit der Zeit auf Null)

Abb. 36

Phasische Sinneszelle

Abb. 37

Klterezeptor

Abb. 38

Generatorpotentialam Stbchen

Abb. 39

Erregungsauslsung am Rezeptor

3.1.7 Synapsen Teil I

Wir haben nun verschiedene Besonderheiten der Neuronen behandelt:ihre Anatomie und die Fhigkeit elektrische Signale zu empfangen, zu erzeugen und weiterzuleiten.Bleibt noch das Problem brig, wie Nervenzellen oder Rezeptoren diese Signale auf andere Zellen bertragen knnen. Betrachten wir dazu die Kontaktstellen vonNervenzelle und NervenzelleoderRezeptor und NervenzelleoderNervenzelle und Muskelzelle. Man nennt diese KontaktstellenSynapsen.In den Nervensystemen der Organismen findet man 2 Typen von Synapsen: elektrische Synapsen chemische Synapsen.Die chemische Synapse ist der am hufigsten verbreitete Typ.Man nennt die Zelle vor der Synapseprsynaptische Zelleund das Neuron danachpostsynaptische Zelle.Wenn wir uns berlegen, wie die APs im Axon entstehen und weitergeleitet werden, ist klar, da am Endknpfchen die saltatorische oder kontinuierliche Weiterleitung beendet ist, da ja hier die Zellgrenzen sind. Es mu also eine bertragungsmglichkeit ber die Membranen hinweg geben.3.1.7.1 Bau einer elektrischen SynapseBei denelektrischen Synapsensind die Membranen an bestimmten Stellen so dicht zusammen, da ber eine Plasmabrcke durch spezielle Ionenkanle die Ladung direkt von einer Zelle zur anderen Zelle bergehen kann. Dadurch ist eine schnelle und ungehinderte Signalbertragung gewhrleistet.Neben der Netzhaut findet man diese Form der Synapse auch im Herzmuskel zwischen den Muskelzellen, in der glatten Muskulatur und im Grohirn von Ratten recht hufig.(The Journal of Comparative Neurology, Volume 376, Number 2, Pages 326-342, December 9, 1996)Man nennt die elektrischen Synapsen auchGap Junctions. Grundstzlich findet manGap Junctionsin allen Zellen, die in Geweben mit anderen Zellen im Kontakt stehen, z.B. Dnndarmepithel.

SolcheGap Junctionsbestehen aus einem Komplex kleiner Kanle, die die beiden Membranen fest verbinden. Links ist dies im elektronenmikropischen Bild zu sehen. (nicht zu verwechseln mitDesmosomen, Verbindungsstellen aus Keratinfasern, die Membranen verbinden)Die Kanle werden von hexagonal angeordneten Proteinen (Connexine) gebildet, die eine Rhre (Connexon) von ca. 2 nm Durchmesser bilden. Damit passen Teilchen bis zur Atommasse ca. 1000 u (Dalton) hindurch wie Ionen, Glucose-6-Phosphat (259 u) oder cAMP (329).Somit hat das Cytoplasma beider Zellen Kontakt miteinander und die Ladungstrger der elektrischen Signale in Neuronen knnen problemlos in die nchste Zelle diffundieren und dort eine Depolarisierung erzeugen.Auch durch Hormone intrazellulr ausgelste Reaktionen knnen so ganze Zellhaufen beeinflussen. (cAMP)3.1.7.2 Bau und Funktion einer chemischen SynapseBei den chemischen Synapsen gibt es keinen Kontakt zwischen den beiden Zellen. Zwischen ihnen befindet sich der synaptische Spalt. Die prsynaptische Zelle produziert auf eine Erregung hin bertrgerstoffe (Neurotransmitter), die die postsynaptische Zelle beinflussen.Man findet bezglich des Zellkontakts verschiedene Arten von chemischen Synapsen: axonodendritisch(excitatorisch):das Axon hat Kontakt mit dem Dendriten einer nachfolgenden Nervenzelle axonosomatisch(inhibitorisch):das Axon hat Kontakt mit dem Zellkrper der nachfolgenden Nervenzelle axonoaxonisch (inhibitorisch):das Axon hat Kontakt mit dem Endbereich eines anderen Axons. axonomuskulre Synapse (excitatorisch)das Axon hat Kontakt mit einem MuskelBezglich der Funktion gibt es excitatorische (= anregend) und inhibitorische (= hemmend) Synapsen.Excitatorische Synapsen leiten die Signale weiter, inhibitorischeblockieren die Weiterleitung. Letzteres erscheint auf den ersten Blick unverstndlich, beide Synapsenformen sind jedoch fr die Steuerung der Organe und Muskeln unabdingbar.Nachfolgend ist eine typische excitatorische Synapse abgebildet.Abb. 40

Gap Junctions

Abb. 41

Gap Junctions

Abb. 42

excitatorische Synapse

Chemische Synapsen werden durch die pr-und postsynaptische Zelle gebildet, die ca. 20-50 nm auseinanderliegen. Dazwischen befindet sich der synaptische Spalt.Folgende Vorgnge (1-5) spielen sich ab.1. Ein AP kommt am Axonende an.2. Dadurch ffnen sich dort die Natriumkanle und sorgen fr eine Depolarisierung. Diese fhrt zu einer ffnung der ebenfalls spannungsgesteuerten Ca2+-Kanle, Ca2+-Ionen strmen in das Axonende und an den Ort, wo sich Vesikel mit Neurotransmittermoleklen (hierAcetylcholin) befinden.3. Die Vesikel diffundieren zum synaptischen Spalt und verschmelzen mit der Axonmembran (Exozytose). Dabei werden die Transmittermolekle in den Spalt entleert. Eine Animation findet man hier:http://www.neuroguide.com/cajal_gallery.html4. Die Neurotransmittermolekle diffundieren zur postsynaptischen Membran, nehmen Kontakt mit den dortigen Natriumkanlen auf, wodurch sich diese ffnen.5. Natriumionen diffundieren in die Zelle und verursachen dort eine Depolarisierung der Membran. Man nennt diese Depolarisierungexcitatorisches postsynaptisches Potential(EPSP)

Dieses EPSP hat nicht die Strke eines AP. Die Spannungsnderung betrgt einige mV. Um die Membran ber den Schwellenwert zu depolarisieren bedarf es mehrerer gleichzeitiger EPSP. Dies wird durch entsprechende AP-Frequenzen erreicht, die am Axonende die fr die vollstndige Depolarisation notwendige Vesikelmenge freisetzen ( beim Muskel ca. 200 Vesikel/AP, im Gehirn bei axonodendritischen Synapsen weit weniger). Jedes Vesikel enthlt die gleiche Menge Neurotransmittermolekle.

Der Neurotransmitter wird durch ein Enzym (hierAcetylcholinesterase) zerstrt und somit seine Wirkung beendet.Links ein Moleklmodell dieses Enzyms. Die Frbung zeigt das elektrostatische Oberflchenpotential an.Die Wirkung der Acetylcholinesterase kann hier simuliert werden:http://www.neuroguide.com/ache.htmlIm Falle von Acetylcholin wird dieses in Cholin und Essigsure gespalten. Diese werden wieder in die prsynaptische Zelle aufgenommen und mit Hilfe von CoA erneut zu Acetylcholin zusammengebaut. (siehe unten)

Die Wirkung eines Neurotransmitters dauert zwischen 0,5 und 1 ms.Andere Neurotransmitterbewirken ein ffnen der Kalium- oder Chloridkanle. Dadurch strmt K+aus der postsynaptischen Zelle, was zu einer Hyperpolarisierung fhrt. Man nennt diesesinhibitorisches postsynaptisches Potential(IPSP).IPSPs werden durch inhibitorische Neurotransmitter wieGlycinoderGABA(=g-Aminobuttersure; ffnet Chloridkanle) erzeugt.Ob ein Neurotransmitter ein EPSP oder IPSP hervorruft, hngt vom Rezeptor an der postsynaptischen Membran ab. Acetylcholin erzeugt EPSPs, wenn es an dennikotinischen Rezeptorbindet. Bei Bindung an denmuscarinischen Rezeptorwerden IPSPs erzeugt.Die Bezeichnungnikotinischkommt von der Tatsache, da das Toxin der Tabakpflanze (Nicotiana tabacum)Nikotinan diese Rezeptoren bindet. ImZNS und an allen Muskeln sind alle ACh-Synapsen nikotinisch.Muskarin, ein Alkaloid des Fliegenpilzes (Amanita muscaria) bindet an einen anderen Typ Rezeptoren, daher kommt der Namemuscarinisch(G-Protein gesteuert).Die postsynaptischen Ionenkanle werden im Gegensatz zu den Na+- und K+-Kanlen des Axons nicht durch eine Spannungsnderung geffnet, sondern durch einen chemischen Stoff. Man kennt 2 Typen Neurotransmitter/Rezeptor-Wechselwirkungen:1. Liganden-gesteuerteDer Neurotransmitter bewirkt durch den Kontakt mit dem postsynaptischen Rezeptor eine direkte nderung der Permeabilitt des Ionenkanals. Acetylcholin, GABA und wenige andere Neurotransmitter besitzen diese Eigenschaft. (schnelle Reaktion)2. G-Protein gesteuerteDie Neurotransmitter/Rezeptor-Reaktion lst an der Membran-innenseite ber ein G-Protein Sekundrprozesse aus, die entweder den Transmitter/Rezeptorkomplex an einen Ionenkanal bindenund so die Permeabilitt ndern (siehe links), oder ber einen intrazellulren Botenstoff (=second messenger) in der Zelle verschiedene Prozesse auslsen. (langsamere Reaktion)

In Abb.48 ist ein7-Helix-Rezeptorabgebildet der ber ein G-Protein mit einem Ionenkanal gekoppelt ist. Solche 7-Helix-Rezeptoren sind weit verbreitet und kommen auch alsHormonrezeptorenvor, allerdings mit second messenger Kopplung.

Neuromuskulre Synapsen haben einen etwas modifizierten Bau. Das Ende des Axons bildet mit dem Muskelgewebe eine motorische Endplatte.Die Abbildung rechts zeigt die Anatomie.

Rolle der Ca2+IonenIn den Zellen sind Ca2+-Ionen normalerweise an Proteine gebunden und deshalb ist die Konzentration an aktiven freien Ca2+-Teilchen sehr gering. Je mehr APs ankommen, desto mehr Ca2+strmt ein und je mehr Exocytose findet statt.Ca2+-Kanle spielen ebenfalls im Herzmuskel, der glatten Muskulatur (Eingeweide) und im Muskel der Wirbellosen ein Rolle. KontraktionOrt des EffektsCa2+-Quelle

Herzmuskelauen

Skelettmuskel Wirbeltiereinnen

Skelettmuskel Wirbelloseauen

Glatte Muskeln Wirbeltiereauen

ExocytoseFreisetzung von Neurotransmitterauen

Hormonfreisetzungzellabhngig

Abb. 43

EPSP - IPSP

Abb. 44

Acetylcholinesterase

Abb. 45

Resynthese von Acetylcholin

Abb. 46

Fliegenpilz (Amanita muscaria)

Abb. 47

Steuerung der postsynaptischen Rezeptoren

Abb. 48

7-Helix Rezeptor

Abb. 49

motorische Endplatte

3.1.7 Synapsen Teil II

3.1.7.3 Neurotransmitter

Die Neuronen im Nervensystem unterscheiden sich dadurch, welchen Neurotransmitter sie in der synaptischen Endigung produzieren. Die mehr als 100 Neurotransmitter in den Organismen kann man in 2 Hauptgruppen einteilen:1. Niedermolekulare Monoamine und2. Peptide (Neuropeptide).Die niedermolekularen Neurotransmitter werden im Endknpfchen hergestellt, die Peptide im Soma des Neurons (an den Ribosomen) und dann zum Endknpfchen transportiert. Die Neuropeptide besitzen eine lnger anhaltende Wirkung als die niedermolekularen Neurotransmitter und wirken oft mit den niedermolekularen zusammen und modulieren deren Wirkung in bestimmten funktionellen Bereichen des Nervensystems (meist ZNS).Dopamin,NoradrenalinundAdrenalinwerden auchKatecholaminegenannt. Adrenalin wird nicht im ZNS sondern in der Nebenniere gebildet. Synapsen mitAcetylcholinwerden auch cholinerg, solche mit Katecholaminen adrenerg genannt.Im vegetativen Nervensystem findet man im Parasympathicus Acetylcholin und im Sympathicus Noradrenalin.Wichtige niedermolekulare NeurotransmitterNeurotransmitterEigenschaften

Acetylcholin Synapsen an allen Muskelzellen und im Gehirn; excitatorisch an nicotinischenRezeptoren, inhibitorisch an muskarinischen Rezeptoren; Wird aus Actetyl-CoA und Cholin hergestellt; Cholin dient auch zur Herstellung von Phospholipiden der Membranen

GABA( =-Aminobuttersure) wichtigster inhibitorischer Neurotransmitter im Gehirn immer inhibitorisch, wird aus Glutaminsure hergestellt ( mit Vitamin B6) wird durch GABA-Transaminase abgebaut wichtigster Rezeptor ist GABA-a, Liganden-gesteuert, bewirkt Chlorideinstrom

Glutaminsure wichtigster exzitatorischer Transmitter im Gehirn immer excitatorisch wichtige Aminosure im Gesamtstoffwechsel wichtigste Rezeptoren sind NMBA (Ca2+-Einstrom) und AMPA-Rezeptoren (Na+-Einstrom)

Dopamin wichtige Rolle im hheren ZNS bei Bewegungssteuerung, Gefhl, abstraktem Denken, Verhaltensplanung, Gedchtnis wird aus aus der Aminosure Phe ber Tyr hergestellt der Rezeptor ist G-Protein-gesteuert

Serotonin Neurotransmitter des Gehirns fr u.a Thermoregulation, Sexualverhalten oder Schlaf wird aus der Aminosure Tryptophan hergestellt wichtiger Rezeptor 5HT-1a ist G-Protein-gesteuert

Noradrenalin wichtiger Neurotransmitter im Gehirn bei der Strebewltigung; regt Herzschlag, Blutdruck und Atmung an Wirkt als Hormon, wenn von der Nebenniere produziert wird aus aus der Aminosure Phe ber Tyr hergestellt der Rezeptor ist G-Protein-gesteuert Abbau durch Enzym COMT

Es gibt auch noch andere Aminosuren wie Glycin und Asparaginsure die als Neurotransmitter wirken.Einige Neuropeptide als NeurotransmitterNeuropeptidEigenschaftenStruktur

Neurotensin wird im Hypothalamus, der Hypophyse und im Verdauungstrakt gefunden ist an der Thermoregulation und Hormonfreisetzung in der Hypophyse un der Aktivitt der Bauchspeicheldrse beteiligtTredekapeptid (13 AS):NH2-Glp-Leu-Tyr-Glu-Asn-Lys-Pro-Arg-Arg-Pro-Tyr-Ile-Leu-COOH

Somatostatin stimuliert Ca2+-aktivierte K+-Ionenkanle u.a. in der Hypophyse, im Gehirn und PankreasTetradekapeptid (14 AS):NH2-Ala-Gly-Cys-Lys-Asn-Phe-Phe-Trp-Lys-Thr-Phe-Thr-Ser-Cys-COOH

Motilin Wirkt auf den Darm und aktiviert Ca2+Kanle in glatter MuskulaturPeptid aus 22 Aminosuren:NH2-Phe - Val - Pro - Ile - Phe - Thr - His - Ser - Glu - Leu - Gln - Lys - Ile - Arg - Glu - Lys - Glu - Arg - Asn - Lys - Gly - Gln-COOH

3.1.7.4 Beeinflussung der SynapsenfunktionEs gibt viele verschiedene Mglichkeiten die Synapsenfunktion zu beeinflussen. Alle Vorgnge und Strukturen der Synapse knnen individuell beeinflut oder blockiert und so die Weiterleitung der Erregung verhindert oder moduliert werden.VieleNervengifte(Neurotoxine),DrogenundMedikamenteknnen synaptische Vorgnge beeinflussen oder blockieren. Daraus resultieren neurologische Krankheiten, mentale Problemzustnde oder der Tod. Ausfhrliches dazu finden Sie u.a. hier:http://www.rci.rutgers.edu/~lwh/drugs/chap06.htm. Die Wirkung im Gehirn lt sich durch z.B. Fluoreszenzspektroskopie oder PET (Positron emission tomography) aufklren. Hier zwei Beispiele:

Im oberen linken Bild sind verschiedene Gehirnbereiche gezeigt, an denen THC (Hauptwirkstoff in Marihuana) wirkt. Die rechte Abbildung zeigt ein PET-Bild eines normalen Gehirnstoffwechsels und unter Kokaineinwirkung. Das Bild zeigt den maximalen Glucoseverbrauch (rot) und damit den Energieverbrauch der Neuronen. Gelb bedeutet weniger Glucoseverbrauch und blau geringen Glucoseverbrauch. Rechts sieht man deutlich den gedrosselten Glucoseverbrauch durch Kokain.Nachfolgend finden Sie eine Auswahl wichtiger Substanzen:ToxineBotulinumtoxinDas anaerobe Bakterium Clostridium Botulinum produziert ein extrem starkes Neurotoxin, das zu Lhmungserscheinungen oder sogar zum Tod fhren kann. Die Sterberate war vor 1920 70%, heute ca. 2%. Die Bakterien befinden sich im Boden, in konservierten Lebensmitteln, ihre Sporen auf der Oberflche von Frchten und in Seefisch. Das Bozulinumtoxin kommt in den Varianten A-G vor und ist ein Protein. Es bindet an Rezeptoren der prsynaptischen Membran, blockiert an den neuromuskulren Synapsen die Exocytose von Acetylcholin und fhrt so zu Lhmungen und bei Blockierung des Herzmuskels und der Lunge zum Tod. Antitoxingabe (Phosphoamidon = Metallproteasehemmer) in den ersten 30 Minuten nach Vergiftung hemmt das Botulinumtoxin. (genaueres siehe bei den Weiterfhrenden Quellen )Schlangengiftez.B. Bungarotoxin von Bungarus multicinctus ; alpha-Cobratoxin der Cobra (Naja spec.) und Klapperschlange (Crotalus spec.) oder Erabutoxin der Seeschlange (Laticauda semifasciata ) LD50 < 1 mg/kg links eine indische Cobra (= Brillenschlange; Naja naja)

Abb. 54zeigt Acetylcholinrezeptoren in neuromuskulren Synapsen bei Frschen, die mitBungarotoxinbesetzt sind, der mit einem roten Fluoreszentfarbstoff markiert ist.Das SchlangengiftBungarotoxin( Peptid, 66 As) wie dasCobratoxinbinden an den nikotinischen Acetylcholinrezeptor (Muskeln) und verhindern die Acetylcholinwirkung. Folge Lhmungserscheinungen und Tod durch AtemstillstandFasciculin, ein Gift der grnen Mamba hemmt die Acetylcholinesterase allosterisch.Organische Phosphatewie (Diisopropyl-fluorophosphat (DFP)) binden irreversibel an die aktive Stelle der Acetylcholinesterase und inhibieren diese. Dadurch wird die Transmitterwirkung verlngert. Dauerdepolarisierung fhrt zu Lhmung. Sie werden als Insektizide und als Kampfgase eingesetzt.Atropin, das Gift der Tollkirsche blockiert die Acetylcholinrezeptoren.Curare, das Toxin der Pflanze Strychnos toxifera, Pfeilgift einiger sdamerikanischer Indianer wirkt ebenfalls wie Atropin.DrogenDie genauere Wirkung von Drogen im Gehirn wird spter besprochen.Nikotin, eines der strksten pflanzlichen Gifte, wirkt wie Acetylcholin an den selben Rezeptoren. (LD50 in Ratten : 50-60 mg/kg, beim Mensch liegt die tdliche Dosis bei 50-100mg)

Geringe Dosen bewirken Stimulierung bestimmter Neuronen, soda neben Acetylcholin auch Dopamin, Noradrenalin undSerotoninausgeschttet wird. (u.a. Erhhung des Blutdrucks und Herzttigkeit). In hohen Dosen bewirkt Nikotin Dauerdepolarisation und damit Muskelerschlaffung (Zittern, Krmpfe). Eine amerikanische Zigarette enthlt ca. 9 mg Nikotin, 90% verbrennen, ca. 1 mg wird aufgenommen und ist nach ca. 8 Sekunden im Gehirn.Alkohol(Ethanol) verndert die Empfindlichkeit des GABA--Rezeptors und erhht damit die Transmitterwirkung. Auch der Umsatz an Noradrenalin und Dopamin wird gesteigert. Er verhindert die Wirkung von Glutaminsure und vermindert die von Acetylcholin.

Koffeingilt als Stimulanz des Zentralnervensystems und ist die weitverbreitetste Droge der Welt; Hauptquelle ist die Kaffeebohne (aus Coffea arabica).

Es ist in Kaffee, Tee, Cola und z.B. Schokolade enthalten. Ca.10 g sind die tdliche Dosis beim Mensch das entspricht ca. 80-100 Tassen Kaffee in schneller Folge. Im Gehirn tritt Koffein u. a. mit Adenosin in Wechselwirkung. Es erhht den Wachzustand, verndert das Schlafmuster, verursacht Kopfschmerzen und Nervositt. Es verlngert die Hormonwirkung durch Hemmung dercAMP-Phosphodiesterase.Ecstasyoder MDMA (3,4 Methylen-Dioxymethamphetamin), eine Designerdroge aus der Amphetaminfamilie wurde schon 1913 von der Firma Merck als Appetittzgler patentiert. Derzeit ist die Droge weitverbreitet.

Ca. 1 Stunde nach der Einnahme werden die Gefhle verstrkt, Musik klingt besser, die Krpertemperatur steigt, Appetit sinkt, Angst verschwindet. Nach 3-4 Stunden verschwindet der Effekt. MDMA beeinflut den Serotoninspiegel des Gehirns.Genauere Untersuchungen sind im Gange.Klicken Sie hier zur 3D-Darstellung!Marihuanaist die weltweit hufigste haluzinogene Droge des indischen HanfsCannabis sativa.Der Hauptwirkstoff ist-9 Tetrahydrocannabinol oder "THC" (auch in Haschisch enthalten).

THC wirkt an vielen Stellen des Gehirns auf Neuronen mitcannabinoiden Rezeptoren, die mit dem Gedchtnis, der Konzentration, Wahrnehmung und Bewegung zu tun haben. Die THC-Wirkung verndert die Mengen an GABA, Serotonin, Dopamin und Noradrenalin dieser Bereiche. In geringen Dosen fhrt THC zu Entspannung, Schlfrigkeit, erniedrigtem Blutdruck und vernderter Wahrnehmung von Zeit und Raum.Klicken Sie hier zur 3D-Darstellung!Kokainist pharmakologisch ein lokales Betubungsmittel und Stimulanz des Zentralnerven-systems aus der Kokapflanze (Erythroxylon coca).

Ursprnglich ( um 1900) enthielt auch Coca-Cola Kokain, heute nur noch Koffein; seit den 80er Jahren ist es als Droge im Umlauf. Kurze Zeit nach der Einnahme geringer Mengen (25-150 mg) bewirkt die Droge Euphorie, Aufregung, reduzierten Hunger und sorgt fr ein Gefhl der Strke. Nach ca. 1 Stunde folgen Depressionen. Bei Einnahme riskiert man Herzschlag, Atemstillstand, verringerte Immunabwehr und den Tod.Kokain blockiert die Wiederaufnahme von Dopamin und Noradrenalin in die prsynaptische Zelle. Folge: verstrkte Dopaminwirkung.LSD(Lysergsurediethylamid), die Modedroge (Halluzinogen) der 60er und 70er Jahre wurde 1938 von einem Chemiker bei Sandoz produziert. Dosen um 0,1 mg rufen Angst, Traurigkeit, Glcksgefhle, lebende Farben, Halluzinationen,Verwirrung, Panik usw. hervor.

Bei Einnahme riskiert man Herzschlag, Atemstillstand und den Tod. Wirkungen knnen bis zu 12 Jahren andauern. LSD hat eine hnliche Struktur wie Serotonin. Es regt vermutlich die Serotonin-Rezeptoren an.Heroinund andere Opiate binden sich u.a. im Thalamus an die Opiat-Rezeptoren was in einer komplizierten Reaktion zur Erhhung der Dopaminproduktion fhrt.

MedikamentePhenfluramin, ein hufig verwendeter Appetitzgler (Handelsname (Ponderal), hat eine stark negative Wirkung auf die Serotoninproduktion: Eine einzige Injektion von 40 mg/kg erniedrigt den Serotonin-Level in Ratten 2 Wochen lang.Benzodiazepin und Barbiturate verndern die Empfindlichkeit des GABA- a-Rezeptors wie z.B. Valium, das als Schlafmittel bekannt ist.Klicken Sie hier zur 3D-Darstellung!Ca2+-Blocker wie Nifedipin verhindern den Ca2+-Einstrom, dadurch die Vesikelausschttung und reduzieren so die Muskelkontraktion. Medizinische Anwendung erfolgt z. B. bei Herzmuskelstrungen.Zusammenfassung:Analoge Wirkung wie Neurotransmitter: Nikotinwirkt an Acetylcholinreceptoren LSDwirkt wie SerotoninHemmung des Transmitter-spaltenden Enzyms: Organische Phosphateinhibieren die AcetylcholinesteraseBlockierung der postsynaptischen Rezeptoren: Botulinumtoxinbesetzt Acetylcholinrezeptoren Schlangengift(Bungarotoxin) besetzt Acetylcholinrezeptoren Atropin(Tollkirsche: Atropa belladonna) Curare(Toxin von Strychnos toxifera, Pfeilgift einiger Sdamerikan. Indianer)Modulation der postsynaptischen Rezeptoreigenschaften Valiumverstrkt die Eigenschaften es GABA-ReceptorsHemmung der Calzium-Kanle und Blockierung der Vesikelausschttung: Nifedipin, Einsatz als HerzmuskelrelaxansModulation der Neurotransmitterausschttung: Opiate (Heroin), Kokainbeeinflussen den Dopaminstoffwechsel3.1.7.5 Krankheitenim Zusammenhang mit der Synapsenfunktion

AlzheimerZ. B. wird behauptet, da ein Verlust der Acetylcholinwirkung zur Alzheimer-Erkrankung fhrt.Schizophreniewird mit einer Fehlfunktion des Dopaminsystems in Zusammenhang gebracht.MigrneAusgelst durch viele Faktoren wie, Stre, Rauchen, helles Licht, Wetter, hormonelle Fluktuation, verschiedene Nahrungsmittel, Koffein, Alkohol usw. erfolgt eine Fehlregulation der Blutgefe im Gehirn. Bei einem Migrneanfall stellt man eine abnormaleErweiterung der Gehirnblutgefeunter der Wirkung von Serotonin, mit lokalen Prostaglandin- (Hormon) bewirkten Entzndungen fest.Entweder kann der Schmerz durch die gngigen Schmerzmittel, dieAcetylsalizylsure(Aspirin),Paracetamol(Togal) oderIbuprofenenthalten, bekmpft werden, oder es werden neuerdings sehr erfolgreich Serotonin-Rezeptor-Agonisten wieSumatriptaneingesetzt um die Geferweiterung direkt zu stoppen.3.1.7.6 Verschaltung von Neuronen

In vielen Bereichen, besonders im Zentralnervensystem findet man Verschaltungen, bei der nicht nur 2 Zellen sondern mehrere miteinander ber Synapsen verbunden sind. Eine typische Gehirnzelle kann von bis zu 10 000 anderen Neuronen Information erhalten. Man spricht auch vomneuronalen Netzwerk.Wir wollen in diesem Kapitel kurz darauf eingehen, wie solche vielfltig ankommenden Informationen an einem Neuron verarbeitet werden.

Abb. 50

wichtige Neurotransmitter

Acetylcholin

GABA

Glutaminsure

Dopamin

Serotonin

Noradrenalin

Abb. 51

Gehirn mit und ohne Kokainwirkung

Abb. 52

Verteilung von THC im Gehirn

(stark violett: Nucleus accumbens,Gehirnzentrum fr positive Verstrkung)

Abb. 53

Neurotoxine

Clostridium botulinum

Indische Cobra (= Brillenschlange; Naja naja)

Diisopropyl-fluorophosphat (DFP)

Abb. 54

Verschaltung von Neuronen

Nehmen wir an, an einem Neuron kommen die Informationen von 4 anderen Nervenzellen ber 4 Synapsen S1- S4 an.Ob ein AP entsteht, hngt von der Signalstrke der ankommenden Information und der zeitlichen Abfolge der Informationsweitergabe ab.Feuert jede Nervenzelle einzeln und zeitlich hintereinander ihre AP-Sequenzen ab, entsteht am ableitenden Axon unseres Neurons nur dann eine AP-Sequenz, wenn die ankommenden Signale die Zelle ber den Schwellenwert reizen.Ist eine ankommende AP-Sequenzunterschwellig, entsteht am Zellkrper des empfangenden Neurons einEPSP.Feuern 2 oder mehrere NeuronengleichzeitigAP-Frequenzen ab, knnen sich die EPSPs aufsummieren; falls der Schwellenwert berschritten wird, entstehen am ableitenden Axon der empfangenden Nervenzelle APs.Dies ist in der nchsten Abbildung dargestellt.

Gleichzeitiges Senden von APs ber die Synapse erhht die Depolarisierung ( S1+2).Feuern die Neuronen 1-3, ergibt die Depolarisierung an den Synapsen S1 + 2 + 3 eine Erregung ber den Schwellenwert zu einem AP.Diesen Vorgang nennt manrumliche Summation.Feuertein NeuronAP-Frequenzen schnell in kurzer Folge ab, kann ebenfalls eine Aufsummierung am Zellkrper des empfangenden Neurons geschehen. Bei berschwelligkeit entsteht wieder eine AP-Frequenz am ableitenden Axon. Man nennt dieszeitliche Summierung(siehe unten).

Sind die Synapsen S1 - S4 unterschiedlichen Typs, z. B. S1-S3 excitatorisch und S4 inhibitorisch, erfolgt ebenfalls eine Aufsummierung. Im einfachsten Beispiel befindet sich einem Neuron 1 excitatorische und eine inhibitorische Synapse.Kommen gleichzeitig IPSPs und EPSPs an, hebt sich der Effekt auf und es entsteht kein AP.Abb. 55

Rumliche Summation

Abb. 56

Zeitliche Summation