Upload
tielo-genz
View
124
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Vorlesung Biologische PsychologieC. Kaernbach
Literatur: Schandry, Kapitel 3-5Vertiefung:
– Kandel, Schwartz, Jessell: Principles of Neural Sciences– Wikipedia: empfohlen bzw. bei weiterführendem Interesse
Nervenzellen
• Zellmembran: Doppellipidschicht
• Prokaryoten (gr. pro „vor“, karion „Kern“)– kein Zellkern, DNA schwimmt frei im Zytoplasma
• Archaeen („Urbakterien“), oft extremophil, nicht pathogen• Bakterien
– Unterschiede in den Ribosomen
• Eukaryoten (gr. eu „gut“, „echt“)– Zellkern Doppelmembran:
– Mitochondrien zwei Doppellipidschichten
– weitere „Organellen“ (membranumgeben)
Aufbau einer Zelle
Zellkern
• Doppelmembran (Kernhülle)– äußere Membran: Ribosomen
• geht über in das (raue) endoplasmatische Retikulum (ER)– innere Membran: „Formfaktor“– dazwischen: perinukleärer Raum
• in Verbindung mit Lumen des ER– ca. 2000 Kernporen
• 8 Speichen, in der Mitte ein Plug• Transfer von rRNA, mRNA, ...
• Kernkörperchen, Nucleoli– „Ribosomenfabrik“
• Chromosomen Mitose Meiose Zellzyklus
Mitochondrien
• „Kraftwerke“ der Zelle– Aufbau: Doppelmembran
• innere Membran umschließt „Matrix“– in der Matrix: Citratzyklus, vor allem Fettsäureabbau– auf innerer Membran: Atmungskette, Erzeugung von ATP
• Zwischenmembranraum: Nukleotidphosphorylierung• Proteinkomplexe (Porin) als Poren
– Ursprung: Endosymbiose mit Bakterien ähnlich Rickettsien (Fleckfieber)
• innere Membran atypisch (Cardiolipin), Hülle vom Symbiont• eigene DNA (unvollständig), eigene Ribosomen, Sprossung
– Vererbung ausschließlich über Zytoplasma der Mutter• bis auf eventuelle Mutationen ein Klon• Mitrochondriopathien
• Golgi-Apparat– Stapel membranbegrenzter
Hohlräume– Weiterverarbeitung von
Proteinen, Zuckern, Lipiden:Sekretbildung, Hormone, Membranproteine & -lipide,
• Lysosomen– vom Golgi-Apparat gebildet,
enthalten Enzyme zur Verdauung von Fremdstoffen
• andere Vesikel, z.B. mit Neurotransmittern
andere Organellen
Endoplasmatisches Retikulum• dynamisch sich veränderndes
Labyrinth aus Zellmembran (Doppellipidschicht),ER-Lumen steht mit perinukleärem Raum in Verbindung– raues ER: mit Ribosomen besetzt,
Proteinsynthese, Membransynthese– glattes ER: u. a. Synthese von Lipiden
und Hormonen– Lumen: Calcium-Speicher (103mol/l, Cytosol: 107mol/l),
wichtig für Signaltransduktion
Signaltransduktion
• Reaktion auf (aus Sicht der Zelle) äußere Reize:– Licht, mechanische Reizung (Hören), Geruch– Blutdruck, Hormone, Neurotransmitter– Immunreaktion, Muskelkontraktion, Morphogenese
• Rezeptoren: Proteine– im Cytosol: für kleine oder lipophile Moleküle– membranständig: 4 oder 7 Transmembranproteine
• Ionenkanäle: Membranpermeabilität ändert sich• „G-Protein-gekoppelt“: GTP-bindendes Protein zerfällt
...• Reiz: Ligand (dringt nicht ein), Spannung, Photon, ...
– Second Messenger (z.B. Ca2+), Signalkaskade
Zytoskelett
• definiert Form der Zelle,ermöglich Motilität– Aktinfilamente
• äußere Form, Motilität– Mikrotubuli
• Tubulinpolymer– Hohlzylinder 25 nm
• innere Stabilität, Motilität• innerzellulärer Transport
von Vesikeln etc. entlang der Mikrotubuli
– Intermediärfilamente• sehr stabil, Stützgerüst
Endothelzellen. Blau: Zellkerne. Grün: Mikrotubuli. Rot: Aktinfilamente
Nervenzelle
• Auf Erregungsleitung spezialisierte Zelle– Soma: Synthese von Proteinen und Lipiden– Axon, entspringt am Axonhügel
• oft myelinisiert– Schwannsche Zelle (Glia): Myelinscheide (Isolierung)– alle 1-2 mm Ranvierscher Schnürring: saltatorische Erregung– Leitungsgeschwindigkeit Faktor 10, bis zu 120 m/s
• Mikrotubuli („Neurotubuli“) sichern Transport– z.B. Vesikel mit Neurotransmitter, Rücktransport
• am Ende Verzweigungen, Synapsen – Dendriten
• kürzer, stärker verzweigt, Dendritic Spines
Neuronentypen
• Klassifikationen nach– äußerer Form
• Pyramidenzellen, Sternzellen, ...
– Neurotransmitter• cholinerg, adrenerg,
gabaerg, ...
– Richtung• afferent, efferent
– Funktion• sensorisch, motorisch, Interneuron
Gliazellen
• 10-50 mal häufiger als Neurone, kleiner– 50% der Gehirnmasse– behalten (anders als Nervenzellen) nach Entwicklung
des Nervensystems Fähigkeit zur Zellteilung– Stützfunktion, Führungselemente beim Wachstum– Ionenmilieu um Neurone herstellen
• Astrozyten: Blut-Hirn-Schranke– Endo-/Exozytose von Glutamat beeinflußt Neurone
• Oligodrendrozyten: Myelinscheiden
• Mikroglia: Abwehr- und Immunfunktion
Myelinscheiden
• Peripherie: Schwann-Zellen– jeweils nur eine Myelinscheide pro Zelle– Stützfunktion (ohne Scheide)
auch für mehrere Zellen
• ZNS: Oligodrendrozyten – weiße Substanz
• Demyelinisierungserkrankung– Multiple Sklerose
Diffusion durch Membranen
• Flüssigkeiten: Osmose– Wasserpotential
• Gase: Partialdruck
• unterschiedliche Substanzgemische auf zwei Seiten einer Membran– Selektivpermeabilität– Durchmischung durch thermische Bewegung– angestrebt: Gleichheit der Osmolarität
• wichtig: Teilchenzahl, nicht Teilchenart, -größe, -masse, ... • Gleichgewicht: Summe der osmotischen Drücke =
hydrostatischer Druck
selektivpermeable Membran
?
• Biomembranen für Ionen impermeabel– für Protein-Ionen() impermeabel– aber: spezifische Ionenkanäle für Na+, K+, Ca2+, Cl
• aktiviert durch Spannungen, Ionen, Proteine, mechanisch,aber auch in Ruhe
– Beispiel passiver Kaliumkanal» K+ verliert an der einen Seite der Pore seine Hydrathülle,
C=O Gruppen übernehmen innen H-Brückenauf der anderen Seite der Pore wieder hydriert
• in Ruhe vor allem Kaliumkanal aktiv
• aktiver Transport: K+ rein, Na+ raus– elektrische vs. osmotische Kräfte
Spezialfall Ionen
Aktiver Transport
• Natrium-Kalium-Pumpe (auch: Na+/K+-ATPase)– Na+- & K+-Transport gekoppelt & energieabhängig:
• 3 Na+ werden aus der Zelle hinaustransportiert• 2 K+ werden in die Zelle hineintransportiert• 1 ATP wird „verbraucht“: Phosphorylierung eines
Aspartat-Restes führt zur Konfigurationsänderung
– Diffusion: Na+ will rein (kann nicht), K+ will raus (ok)• K+ strömt aus, bis elektrisches Potential dem entgegenwirkt
Bilanz:außen positivinnen negativ
Membranpotential
• existiert in allen Zellen (Steuerung von Ionenströmen)– für elektrisch erregbare Zellen: Ruhemembranpotential – Natrium-Kalium-Pumpe
• 3 Na+ aus der Zelle , 2 K+ in die Zelle, K+-Ionen diffundieren teilweise wieder raus ⇨ negatives Potential
• Nernst-Gleichung für IonenE = (RT/zF) ln(c1/c2) 60 mV/z log10(c1/c2)
• T: Temperatur, R: Gaskonstante, F: Faradaykonstantez: Wertigkeit des Ions, c1, c2: Konzentrationen
• ergibt Potentialdifferenz pro Ionenart: diejenige Spannung, bei der keine Ionenwanderung stattfände
• Membranpotential dominiert von K+-Ionen
MembranpotentialIon cinnen
mmol/lcaußen
mmol/lVerhältnis Potential
mV
Na+ 7-11 144 1:16 +72
K+ 120-155 4-5 33:1 -91
Ca2+ 105-104 2 1:100000 +150
Cl 4-7 120 1:20 -78
Proteine 155 5 31:1
• Membranpotential dominiert von K+-Ionen– Natriumleckströme reduzieren das Membranpotential
• Permeabilität für Na+ zwar gering, aber Membranpotential weit von Na+-Gleichgewichtspotential
Lokale Änderung desMembranpotentials• Änderung an einer Stelle, z. B.:
– Na+-Kanäle gehen auf• Na+ strömt ein• Potential wird positiver• „depolarisiert“
– weitere K+-Kanäle gehen auf• K+ strömt aus• Potential wird negativer• „hyperpolarisiert“
• Erregungsleitung– Elektrotonische Ausbreitung ⇨
• fast instantan, aber verlustreich, • Reichweite max. 0,1 mm
– Aktionspotentiale...
Aktionspotentialbei elektrisch erregbaren Zellen
• Negative Stimulation (Hyperpolarisation)– elektrotonische Leitung
• Positive Stimulation(Depolarisation)– bis zu einer Schwelle
elektrotonische Leitung
– jenseits der Schwelle Aktionspotentiale gleicher Größe
• Alles oder Nichts
Aktionspotentialbei elektrisch erregbaren Zellen
• ab -40 mV öffnen spannungsabhängige Natriumkanäle– Depolarisation („Aufstrich“),
Overshoot
– nach ca. 1 ms wieder inaktiv
• ebenfalls ab -40 mV öffnen spannungsabhängige Kaliumkanäle– langsamer
– Repolarisation,Hyperpolarisation
• und nachher? alles wieder in Ordnung?
Kontinuierliche Erregungsleitung
• Marklose Nervenfasern (nicht myelinisiert)– Aktionspotential an einer Stelle der Faser bewirkt
per elektrotonischer Leitung Depolarisation in benachbarten Abschnitten über den Schwellwert
• Übertragungsgeschwindigkeit langsam– 1-3 m/s, max. 30 m/s– steigt in etwa linear mit Durchmesser der Faser
• ANS, Nozizeptoren– Schauer über den Rücken
• erst Nacken, dann Rücken/Arme, dann Beine:spürbares Erlebnis der langsamen Weiterleitung im ANS
Saltatorische Erregungsleitung
• Markhaltige Nervenfaser (myelinisiert)– Markscheide aus Myelin
isoliert die Zelle• verbessert elektrotonische
Leitung: 0,1mm ⇨ 5 mm
– alle 1-2 mm:Ranvierscher Schnürring
• Aktionspotential erreicht amnächsten Schnürring Schwelle
– 100-180 m/s – nicht pränatal
Fragen
• Kann eine Erregung (bei elektrotonischer oder saltatorischer Weiterleitung) rückwärts laufen?
• Wie lange dauert ein Aktionspotential?
• Wie lang ist die gleichzeitig von einem Aktionspotential betroffene Strecke bei einer Weiterleitungsgeschwindigkeit von – kontinuierlicher Weiterleitung = 1 m/s?– saltatorischer Weiterleitung = 100 m/s?
• Wie viele Schnürringe betrifft das?
Axonhügel
• Ursprungsstelle des Axons am Soma
• Einsetzen spannungsabhängiger Na+-Kanäle
• noch nicht von Myelin umhüllt
Klassifikation von Nervenfasern
• nach Durchmesser und Nervenleitgeschwindigkeit– nach Erlanger / Gasser (1937)
• A 10-20 µm 60-120 m/s L/H: I• A 7-15 µm 40-90 m/s L/H: II• A 4-8 µm 30-50 m/s• A 2-5 µm 10-30 m/s L/H: III• B 1-3 µm 5-20 m/s• C 0,5-1,5 µm 0,5-2 m/s (marklos) L/H: IV
– nach Lloyd / Hunt (1943)• I 12-20 µm 70-120 m/s• II 7-12 µm 40-70 m/s• III 2-7 µm 10-40 m/s• IV 0,5-1,5 µm 0,5-2 m/s (marklos)
Spontanaktivität
• Fast alle elektrisch erregbaren Zellen (also solche mit spannungsabhängigen Na+-Kanälen)
weisen Spontanaktivität auf.– Inhibitorische Einflüsse vorgeschalteter Zellen
können Spontanaktivität unterdrücken• ermöglicht bipolare Kodierung
– Beispiel: Vasokonstriktor-Neurone– Gegenbeispiel: Piloerector-Neurone
• Sonderfall: Sinusknoten im Herzen– Schrittmacherneuron
„Elektrische“ Synapsen
• Annäherung der Zellmembranen auf 2-4 nm
• Gap junctions– Kennzeichen von Gewebetieren (Eumetazoa)– aufeinander gerichtete Membranporen
• zwei Connexone aus je 6 Connexinen• zum Nährstoffstransport in wenig durchbluteten Gebieten• (unter anderem auch) Ionenaustausch
• Aktionspotential in präsynaptischer Endigung– Spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle öffnen sich, Ca2+ dringt ein– Vesikel mit Neurotransmittern ergießen sich in den
synaptischen Spalt (20-50 nm)• oft mehrere Vesikelarten in einer Synapse für
verschiedene Transmitter und Kotransmitter
• Transmitter reagieren mit Rezeptoren an postsynaptischer Membran– z. B. Na+-Kanäle öffnen sich ⇨ Depol.– oder Cl--Kanäle öffnen sich ⇨ Hyperpol.
• Autorezeptoren (präsynaptisch)regulieren Transmitterausschüttung
• Transmitterabbau oder Wiederaufnahme (re-uptake)
Chemische Synapsen
Rezeptoren
• Typ-I-Rezeptor– ligandengesteuerter Ionenkanal– ionotroper (direkter) Rezeptor– schnell
• Typ-II-Rezeptor – G-Protein-gekoppelter Ionenkanal– metabotroper
(indirekter) Rezeptor
– flexibel
Neurotransmitter
• 1000 Sorten– Acetylcholin– Katecholamine
• Dopamin• Adrenalin Monoamine• Noradrenalin
– Serotonin– Aminosäuren als Neurotransmitter
• Glutamat• GABA• Glycin
– Neuropeptide (Peptidhormone)• Neuropetid Y, ACTH, Substanz P, Endorphine, ...
Acetylcholin
• Esther von Essigsäure und Cholin– nikotinerger Rezeptor
• ionotrop, depolarisierend• Muskelzellen, ZNS
– muskarinerger Rezeptor• metabotrop, de- od. hyperpolarisierend• Vegetativum, ZNS
– wird im synaptischen Spalt zerlegt, Cholin wird wieder aufgenommen
– ACh-Gifte• Botulinumtoxin
– behindert ACh-Freisetzung– 1 Molekül ruiniert 1 Synapse
• E605, Sarin– behindern ACh-Abbau– Gegengift: Atropin (ACh-Antagonist)
Loewi, 1921: „Vagusstoff“
Katecholamine
• Katecholring
• Biosynthese aus der proteinogenen Aminosäure Tyrosin– L-DOPA
• nicht-proteinogene Aminosäure– Dopamin
• Amin– Noradrenalin– Adrenalin
• Wiederaufnahme, (Abbau)
L-DOPA
• Levodopa, L-DOPA, L-Dihydroxyphenylalanin– ist selbst kein Neurotransmitter– passiert Blut-Hirn-Schranke– wird dort zu Dopamin metabolisiert– Behandlung von
• Parkinson• Restless-Legs-Syndrom• Encephalitis lethargica
– Buch Awakenings von Oliver Sacks– Film mit Robert De Niro, Robin Williams
» auch von O.S.: The man who took his wife for a hat
– heute: Dopamin-Agonisten, rezeptorspezifisch,tiefe Hirnstimulation
Dopamin
• fünf Dopamin-Rezeptor Subtypen, D1-D5, metabotrop– unterschiedliche Verteilung / Funktion
• D1, D5: Depolarisierung
• D2, D3, D4: Hyperpolarisierung
• D2-Rezeptor: auch Autorezeptor
• Vorkommen – Mittelhirn
• Substantia nigra, Tegmentum, u. a.• viele Funktionen, u. a.
– Steuerung der Willkürmotorik– Suchtverhalten
– Vegetativum• innere Organdurchblutung
Noradrenalin
• das „normale“ Adrenalin (Nebennierenhormon)– als Hormon
• ausgeschüttet vom Nebennierenmark
– als Neurotransmitter• Vegetativum
– postganglionäre Synapsen des sympathischen Nervensystems
• ZNS– produziert im Locus caeruleus („blauer Fleck“) der Medula
• Rezeptoren siehe Adrenalin
Adrenalin
• Adrenozeptoren (Adrenalin und Noradrenalin)– metabotrop, 3 Familien mit 3-4 Subtypen
1: ZNS, Sympathikus, Urogenitaltrakt, Blutgefäße
2: prä- und postsynaptisch, peripher und zentral
: Herz, glatte Muskulatur (Bronchien)
• unterschiedliche Affinitäten für Adrenalin/Noradrenalin– Noradrenalin bindet insgesamt schwächer, und kaum an -Rezeptor
– als Hormon• ausgeschüttet vom Nebennierenmark
– als Neurotransmitter: kaum (Hirnstamm)
Serotonin
• Biosynthese aus proteinogener Aminosäure Tryptophan
• Gewebshormon– Vorkommen in Blutplättchen und Mastzellen
• 19 verschiedene Rezeptoren bekannt (7 Familien)– Herz-Kreislauf-System– Blutgerinnung– Kontraktion und Relaxation von Blutgefäßen– gastrointestinale Motilität– LSD (Lysergsäurediethylamid)
Einschub: Monoaminooxidase (MAO)
• Mitchondrales Enzym
• beteiligt am intrazellulären Abbau der Monoamintransmitter (nach re-uptake)– Dopamin– Noradrenalin– Adrenalin– Serotonin
• Medikament: MAO-Hemmer– verstärken den Effekt von Monoamintransmittern
Glutamat
• Anion der proteinogenen Aminosäure Glutaminsäure
• Aminosäurentransmitter allgemein: häufig– Konzentration im Gehirn Faktor 1000 höher als bei
Monoamintransmittern
• Rezeptoren: ionotrop und metabotrop– NMDA-Rezeptor
• NMDA = (N-Methyl-D-Aspartat) =synthetischer Agonist von Glutamat
• spannungs- und ligandengesteuert
GABA
• Aminosäure -Amino-Buttersäure (GABA)
• wichtigster hemmender Transmitter des ZNS– bis zu 50% der hemmenden Synapsen des ZNS– re-uptake
• GABAA und GABAC-Rezeptoren: ionotrop (Cl)
• GABAB: metabotrop, – präsynaptisch: reduziert Ca2+-Eintrom– postsynaptisch: reduziert K+-Einstrom?
• GABAA-Agonisten– Benzodiazepine, Barbiturate (Tranquilizer)
Glycin
• einfachste proteinogene Aminosäure
• inhibitorisch, re-uptake
• Rückenmark (Motoneurone) und Hirnstamm
• ionotroper Rezeptor (Cl-Kanal)
• Glycinantagonisten– Strychnin: Rezeptorblockade
• überschießende Erregung der Muskulatur, Atmungsfunktion gestört
– Tetanus: verhindert Freisetzung von GABA & Glycin• „Wundstarrkrampf“
Neuropeptide
• Aminosäurenketten– Hormone– Kotransmitter
• über 100 Peptide bekannt– CRH, ACTH– Neuropetid Y
• Hunger, Angst, Magen-Darm-Motorik• 6 Rezeptoren Y1 – Y6
– Substanz P (Schmerzrezeptoren)– Endorphine (endogenes Morphin)
Neurotransmitter
• 1000 Sorten
• jeder Transmitter kann mehrere Rezeptoren haben– die spezifischen Rezeptoren sind an unterschiedlichen
Stellen im ZNS aktiv– die einzelnen Rezeptoren können unterschiedlich
wirken, z. B.• prä- oder postsynaptisch (D2-Rezeptor bei Dopamin)
• de- oder hyperpolarisierend (Muskarin-Rezeptor für ACh)
• spannungs- und/oder ligandengesteuert (NMDA-Rezeptor)
Neuronale Integration von Information
• elektrotonische Weiterleitung des (inhibitorischen / exzitatorischen) postsynaptischen Potentials zum Axonhügel
• räumliche Addition / Subtraktion (Konvergenz)⇨ Aktionspotential?
• zeitliche Summation (Potenzierung)– an der Präsynapse (Ca2+ ) – an der Postsynapse (echte „zeitliche Summation“)?– „tetanische Potenzierung“– posttetanische Potenzierung: erhöhte Reizbarkeit