Bio Kap. 4 (Zelluläre Basis der Informationsverarbeitung in Nervenzellen)

Was ist die Voraussetzung für Informationsverarbeitung in biologischen Systemen?

Welche physikalische Grundlage nutzt das Nervensystem für Signale?

→ Das Vorhandensein von mindestens zwei stabilen Zuständen (Z1, Z2), zwischen denen ein Übergang (Signal) stattfinden kann.

→ Elektrische Phänomene: definierte Spannungszustände entlang der Zellmembran.

Was sind Ionen? Nenne Beispiele für Kationen und Anionen.

→ Geladene Teilchen:

• Kationen: Na⁺, K⁺, Mg²⁺

• Anionen: Cl⁻, Säurereste

Was ist eine elektrostatische Wechselwirkung?

→ Anziehung oder Abstoßung zwischen entgegengesetzt bzw. gleich geladenen Teilchen → Grundlage für Molekülbindung.

Wie beeinflusst Ladung die Struktur von Proteinen?

→ Unterschiedliche Ladungsverteilung → Anziehung/Abstoßung → bestimmt räumliche Struktur → Strukturveränderung = Funktionsänderung.

Was bewirken Strukturveränderungen von Proteinen im Nervensystem?

→ Ionenpumpen transportieren Teilchen

→ Enzyme ermöglichen Reaktionen durch Annäherung von Molekülen.

Wie entsteht das Membranpotenzial? Was bedeutet „elektrisch polarisiert“?

→ Durch ungleiche Verteilung geladener Ionen innen und außen → typisches Ruhepotenzial (nicht wirklich absolute Ruhe) in Nervenzellen: –70 mV, aber in tierischen Zellen irgendwo von -40 bis -90 mV.

→ Das Zellinnere ist negativer als das Zelläußere → konstante Spannung über die Membran.

Wie misst man das Membranpotenzial?

→ Mit Mikroelektroden (feine, spitz zulaufende Glaspipetten, gefüllt mit leitfähiger Lösung): eine in der Zelle, eine außen, verbunden mit Spannungsmessgerät.

Warum kommt es nicht zu Ladungsausgleich zwischen innen und außen?

→ Membran ist selektiv permeabel, v.a. durch Ionenkanäle. Die Lipid-Doppelschicht verhindert unkontrollierte Diffusion.

Welche Moleküle können die Membran ungehindert passieren?

→ Kleine, ungeladene, fettlösliche Moleküle wie O₂, CO₂, Ethanol.

Was machen Ionenkanäle? Beschreibe die Ionen.

→ Selektive Passage bestimmter Ionen → sichern die Stabilität des Ruhepotenzials.

Wie beeinflussen elektrische Kräfte verschiedene Ionen?

→ K⁺ wird durch negatives Zellinnere angezogen → bleibt innen

→ Cl⁻ wird abgestoßen → bleibt außen

→ Na⁺ wird angezogen → will einströmen

→ Proteine können nicht raus → zu groß

Was ist die Brown-Molekularbewegung?

→ Zufällige Teilchenbewegung durch Kollisionen → treibt Diffusion an → keine Ruhe im biologischen „Ruhezustand“

→ Absolute “Ruhe” gelingt nur bei 0K, bzw. -273C.

• In Gasen: Teilchen legen weite Wege zwischen Kollisionen zurück.

• In Flüssigkeiten: Teilchen sind dichter gepackt, ständig in Bewegung durch Anziehungs-/Abstoßungskräfte.

• In Festkörpern: Teilchen schwingen nur um ihre feste Position.

Was ist Diffusion?

→ Teilchenverteilung zur Konzentrationsangleichung durch Molekularbewegung → natürliche Durchmischung.

Was ist osmotischer Druck?

→ Wasser diffundiert durch semipermeable Membran zur Seite mit höherer Ionenkonzentration → Erzeugt hydrostatischen Druck.

Warum ist Osmose für Zellen gefährlich?

→ Hohe Ionenkonzentration innen → Wasser strömt ein → Zelle schwillt an und kann platzen.

Welche zwei Kräfte wirken auf Natriumionen?

→ 1. Elektrische Anziehung durch negatives Zellinnere

→ 2. Diffusionskraft (mehr Na⁺ außen als innen)

→ Beide wirken nach innen

Was verhindert das Eindringen von Na⁺ trotz beider Kräfte, die auf diese wirken?

→ Die geringe Permeabilität der Membran für Na⁺

→ Natrium-Kalium-Pumpe hält Ungleichgewicht aufrecht

Was ist das Gleichgewichtspotenzial (EG)?

→ Das elektrische Potenzial, bei dem keine Nettowanderung einer bestimmten Ionensorte mehr stattfindet.

Was beschreibt die Nernst-Gleichung?

→ Sie berechnet das EG aus:

• Konzentrationen innen/außen (c₁/c₂)

• Temperatur (T)

• Wertigkeit des Ions (z)

• Physikalische Konstanten (R, F)

Wie erkennt man elektrochemische Druckverhältnisse?

→ Ist das gemessene Membranpotenzial ≠ EG, besteht Wanderungstendenz für das Ion, bzw. eine elektrochemischer Druck.

→ Ist Membranpotenzial = EG → kein Nettofluss.

Beispiele für Gleichgewichtspotenziale:

• K⁺: außen/innen = 1:40 → EG = –98 mV

• Na⁺: außen/innen = 12:1 → EG = +67 mV

Welche Ionen sind meist im Gleichgewicht?

→ Kalium (K⁺) und Chlorid (Cl⁻) → ihr EG liegt nahe am Ruhepotenzial der Nervenzelle.

Was ist passiver Transport durch die Zellmembran?

→ Transport ohne Energieverbrauch, angetrieben durch Konzentrationsgradienten und elektrische Ladungsunterschiede.

Welche Moleküle passieren die Membran ohne Transportprotein?

→ Kleine, ungeladene Moleküle wie O₂, CO₂, Ethanol.

Welche Rolle spielen Carriermoleküle im Nervensystem?

→ Geringe Bedeutung; sie binden Ionen, verändern ihre Konformation und geben sie auf der anderen Seite frei.

Was sind Ionenkanäle und wie sind sie aufgebaut?

→ Membranproteine aus 4–6 Untereinheiten, die eine Pore zwischen Zellinnerem und -äußerem bilden.

Was ist die Funktion von Ionenkanälen in Nervenzellen?

→ Schneller, selektiver Ionentransport (z. B. K⁺, Na⁺, Ca²⁺); zentral für neuronale Erregbarkeit.

Wie verändert sich die Zahl an Ionenkanälen?

→ Durch Proteinsynthese erhöhbar oder durch Abbau reduzierbar – wichtig für Lernen, Gedächtnis, Sucht.

Welche Zustände können Ionenkanäle einnehmen?

→ Offen oder geschlossen; abhängig von Aktivierbarkeit, Spannung oder chemischen Reizen (z. B. Neurotransmitter).

Wie viele Ionenkanaltypen gibt es?

→ Über 100 verschiedene; in einer Membranregion einer Nervenzelle über 10 aktiv gleichzeitig.

Wie schnell ist der Transport durch Ionenkanäle?

→ Bis zu 10 Millionen Ionen pro Sekunde – 1.000× schneller als Carrier.

Was bestimmt die Selektivität eines Ionenkanals?

→ Ionenladung, Kanalpolarität (z. B. Kaliumkanäle sind negativ polarisiert) und Aminosäurefilter im Kanalinneren.

Wie stark unterscheidet sich die Durchlässigkeit von Kanälen?

→ K⁺-Kanäle: 100× durchlässiger für K⁺ als für Na⁺.

→ Na⁺-Kanäle (während Aktionspotenzial): 10–20× durchlässiger für Na⁺ als für K⁺.

Welche externen Faktoren beeinflussen Ionenkanäle?

→

• Molekülanlagerung (z. B. Neurotransmitter)

• Spannungsänderungen (Depolarisation)

• Physikalische Reize (z. B. Druck, Licht, Temperatur)

Wie wirken Lokalanästhetika auf Ionenkanäle?

→ Blockieren Na⁺-Kanäle, verhindern Ionenpassage, hemmen Reizweiterleitung → z. B. Schmerzempfindung.

Was ist ein elektrochemischer Gradient?

→ Das Nettoergebnis aus Konzentrations- und elektrischen Gradienten auf Ionen.

Was ist aktiver Transport?

→ Energieverbrauchender Transport gegen den elektrochemischen Gradienten, gerichtet und einseitig.

Warum würde ohne Regulation Na⁺ das Ruhepotenzial zerstören?

→ Na⁺ strömt passiv ein (da einige Kanäle immer offen sind) → Depolarisation → Membranpotenzial würde Richtung 0 mV gehen.

Was macht die Natrium-Kalium-Pumpe (Na⁺/K⁺-ATPase)?

→

• Transportiert 3 Na⁺ aktiv aus der Zelle

• 2 K⁺ aktiv in die Zelle

• Erhält so das Ruhepotenzial aufrecht

Was passiert mit dem K⁺, das von der Pumpe eingeschleust wird?

→ Es verlässt die Zelle wieder passiv über offene Kaliumkanäle → keine Akkumulation.

Wie wurde die Funktion der Na⁺/K⁺-Pumpe experimentell bewiesen?

→ Durch radioaktive Na⁺-Markierung: Einwärtsdiffusion ≠ Konzentrationsänderung → aktiver Ausgleich durch Pumpe.

Welche Energieform nutzt die Na⁺/K⁺-Pumpe?

→ ATP → ADP + Phosphat → Energiefreisetzung → Konformationsänderung → Ionentransport.

Warum ist die Na⁺/K⁺-ATPase ein Enzym?

→ Weil sie ATP spaltet (katalytisch) und dadurch den Ionentransport ermöglicht, ohne selbst verbraucht zu werden.

Was ist Ouabain und wie wirkt es?

→ Pflanzliches Pfeilgift (Glykosid), blockiert K⁺-Transport der Pumpe → Na⁺-Akkumulation → Cl⁻-Zuzug → Wasser strömt ein → Zelle schwillt → Funktionsverlust.

Welche zentrale Rolle spielt ATP im Organismus?

→

• Na⁺/K⁺-Pumpe

• Muskelkontraktion

• Wärmeerzeugung

• Biosynthese (z. B. Membranlipide)

Welche weiteren Pumpenproteine sind bekannt?

→

• Kalziumpumpe (Ca²⁺ aus Zelle) – wichtig im ZNS

• Pumpen für nicht-ionische Substanzen in anderen Geweben

Was sind spontan aktive Neuronen?

→ Neuronen, die ohne äußeren Reiz Aktionspotenziale generieren, weil ihr Ruhepotenzial instabil ist und sich spontan zur Schwelle hin depolarisiert.

(vgl. Schrittmacherneuornen, Bursting-Neuronen)

Welche Ionenkanäle ermöglichen spontane Aktivität?

→ Spannungsgesteuerte Na⁺- und K⁺-Kanäle mit verzögerter Aktivierungs- und Inaktivierungscharakteristik.

Was passiert nach dem selbst ausgelösten Aktionspotenzial bei spontan aktiven Neuronen?

→ Die Zelle kehrt wieder zum Ruhepotenzial zurück.

Was sind Schrittmacherneuronen?

→ Neuronen, die rhythmisch und kontinuierlich feuern und periodische Verhaltensweisen wie Atmung, Kauen oder Gehen steuern.

→ Sie sind mit anderen Neuronen gekoppelt und erzeugen gemeinsam einen konstanten, rhythmischen Output, der anpassbar bleibt.

Was sind Bursting-Neuronen? Welche Funktion haben Bursts in Neuronen?

→ Neuronen, die in Salven (Bursts) von Aktionspotenzialen feuern, unterbrochen von Ruhephasen.

→ Steuerung rhythmischer Abläufe, z. B. bei der hormonellen Sekretion nach festgelegtem zeitlichem Muster.

Warum sind Vestibularzellen auch in Ruhe aktiv?

→ Vestibuläre Haarzellen (in Bogengängen & Makulaorganen) sind spontan aktiv, d. h. sie feuern auch in absoluter Ruhe mit einer tonischen Grundfrequenz.

• Bei Kopfstillstand feuern linkes und rechtes Vestibularorgan symmetrisch → das Gehirn interpretiert dies als „kein Bewegungssignal“.

• Bei Kopfbewegung entsteht ein asymmetrisches Signal (eine Seite ↑, die andere ↓) → so wird Richtungs- & Beschleunigungsinformation codiert.

• Ohne Grundaktivität wäre bidirektionale Wahrnehmung (z. B. links vs. rechts drehen) nicht möglich.

Wie erfolgt die Signalweiterleitung in Nervenzellen, und warum ist der Vergleich mit einem Draht nur begrenzt passend?

• Die Signalweiterleitung beruht auf einer lokalen Veränderung des Membranpotenzials, meist durch Na⁺-Einstrom.

• Die elektrischen Signale verlaufen entlang der Membran, nicht durch das Axoplasma.

• Vergleich mit einem Draht ist nur begrenzt sinnvoll, weil:

 – Ionen, nicht Elektronen, transportiert werden (→ größer, träger)

 – Das System ist nicht perfekt isoliert → Ladungsverlust möglich

 – Mehrere Ionensorten wirken gleichzeitig → teils fördernd, teils störend

Was ist passive Leitung in Nervenzellen und wie funktioniert sie?

Eine lokale Depolarisation (z. B. durch Na⁺-Einstrom) verändert das Membranpotenzial. Diese Spannung breitet sich entlang der Membran sehr schnell, aber mit abnehmender Stärke aus – ohne echte Ionenwanderung, nur durch Verschiebung benachbarter Ladungsträger.

Ist typisch für Dendriten, reicht für kurze Distanzen in lokal vernetzten Neuronen und ist besonders wichtig in dicht gepackten Hirnarealen – daher im menschlichen Gehirn weit verbreitet.

(bzw. Elektrotonus/elektrotonische Leitung)

Warum reicht passive Leitung nicht für große Entfernungen?

Weil Leckströme (z. B. K⁺-Ausstrom) und die Aktivität der Na⁺/K⁺-Pumpe das Signal abschwächen. Nach 0.2–1 mm ist das Potenzial oft halbiert.

Wie beeinflusst der Faserquerschnitt die Leitungsgeschwindigkeit?

Unmyelinisiert: Geschwindigkeit ∝ √(Querschnitt).

Myelinisiert: Geschwindigkeit ∝ Durchmesser.

Dickere Fasern leiten schneller.

Warum reicht das passive Signal allein nicht aus, und was ist die Lösung?

Weil es sich nicht weit genug ausbreitet → Das Aktionspotenzial (AP) ermöglicht eine verlustfreie, selbstverstärkende Signalweiterleitung über lange Distanzen.

Wie wird ein Aktionspotenzial ausgelöst?

Wenn eine Reizschwelle überschritten wird, öffnen sich spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle → starker Na⁺-Einstrom → schnelle, sprunghafte Depolarisation.

Was besagt das Alles-oder-Nichts-Gesetz?

Ein Reiz unterhalb der Schwelle erzeugt kein AP.

Oberhalb: Immer gleich starke APs – unabhängig von Reizstärke (also nicht ein linearer Anstieg). Nur die Frequenz kann variieren.

Wo entsteht das Aktionspotenzial typischerweise zuerst und warum?

Am Axonhügel, da dort die Dichte spannungsgesteuerter Na⁺-Kanäle besonders hoch ist – höchste Erregbarkeit.

Welche Phasen durchläuft ein Aktionspotenzial?

1. Schwellenüberschreitung → Na⁺-Kanäle öffnen → Aufstrich & Overshoot

2. Na⁺-Kanäle inaktivieren → absolute Refraktärphase, bereits nach 1ms

3. Na⁺-Kanäle deinaktivieren nahe Ruhepotenzial

4. K⁺-Kanäle öffnen verzögert → Repolarisation & Hyperpolarisation

5. Na⁺/K⁺-Pumpe stellt Ausgangszustand wieder her

Was ist die absolute Refraktärphase?

Während Aufstrich und früher Repolarisation → Na⁺-Kanäle sind inaktiviert → kein neues AP möglich.

Was ist die relative Refraktärphase?

Während Hyperpolarisation → nur stärkerer Reiz löst neues AP aus → reduzierte Amplitude bei kurzem Abstand zum vorherigen AP.

Wie wird Reizintensität im Nervensystem codiert?

Nicht durch Amplitude, sondern durch Frequenz der Aktionspotenziale → stärkere Reize → kürzere Latenz → höhere Frequenz.

Welche Bedingungen müssen für AP-Salven erfüllt sein?

Der Reiz muss (1) länger dauern als ein AP und (2) stark genug sein, um auch während der relativen Refraktärphase zu depolarisieren.

Wie funktionieren spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle?

Öffnen bei Erreichen der Schwelle, bleiben ~1 ms offen → dann inaktiv. Reaktivierung erst nahe Ruhepotenzial möglich.

Wie „öffnet“ sich ein spannungsgesteuerter Na⁺-Kanal technisch?

Spannung verändert Struktur großer Membranproteine (Domänen) durch elektrische Felder (~100.000 V/cm) → Konfigurationswechsel → Kanal öffnet/schließt.

Was ist die Leistung eines einzelnen spannungsgesteuerten Na⁺-Kanals?

Ca. 5.000–6.000 Na⁺-Ionen in 1 ms. Dichte: 35–500 Kanäle/μm², ≙ max. 1 % Membranfläche.

Welche Gifte beeinflussen spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle und wie?

• Tetrodotoxin (Kugelfisch): blockiert Kanal → kein AP → Lähmung, Atemstillstand

• Skorpion-/Seeanemonengifte: halten Kanal offen → verlängerte Depolarisation → längere Refraktärzeit → gestörte Signalweiterleitung

Welche weiteren spannungsgesteuerten Kanäle gibt es außer Na⁺?

• Ca²⁺-Kanäle → starker Ca²⁺-Einstrom, trägt zum Aufstrich bei

• Cl⁻-Kanäle in manchen Neuronen

• Subtypen unterscheiden sich im Schwellenwert & Vorkommen (Zelltyp, Region, Spezies)

Wie wirken Lokalanästhetika?

Blockieren die spannungsgesteurte Na⁺-Kanäle (und wenn in grosser Menge gegeben, dann auch K⁺) → keine APs → keine Schmerzleitung. Erstes Mittel: Kokain → ersetzt durch Prokain/Novokain.

Welche Zellen oder Systeme sind bei Überdosierung von Lokalanästhetika zusätzlich betroffen?

Erregbare Zellen wie Herzmuskelzellen → Gefahr von Herzrhythmusstörungen.

Welche Fasertypen werden durch Lokalanästhetika zuerst blockiert?

Dünne Fasern (Schmerz) eher als dicke (Motorik) → selektive Ausschaltung.

Wie breitet sich ein Aktionspotenzial entlang des Axons aus?

Wie eine Zündschnur → jeder erregte Bereich depolarisiert den nächsten. Rücklauf wird durch Refraktärzustand verhindert → anterograd.

Warum leiten dickere Axone schneller als dünne?

Mehr Ionen im Axoninneren sind vor Leckströmen geschützt → größere effektive Stromstärke → schnellere Depolarisation.

Was ist saltatorische Erregungsleitung?

APs springen von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten → dazwischen passive Weiterleitung durch myelinisierten Abschnitt.

Welche Rolle spielen Ranvier-Schnürringe bei der saltatorischen Leitung?

Unmyelinisierte Bereiche mit hoher Na⁺-Kanaldichte (~10.000/μm²) → nur dort kann AP ausgelöst werden.

Warum ist saltatorische Erregungsleitung schneller und effizienter?

Weil myelinisierte Abschnitte isolieren → weniger Energieverlust & Ionenverschiebung → schnellere und energieeffiziente Weiterleitung.

Welche Funktionen erfüllt die Myelinscheide bei der Erregungsleitung?

– Sie wirkt als elektrischer Isolator, verhindert Leckströme, reduziert den Ionenfluss durch die Membran und enthält kaum spannungsgesteuerte Natriumkanäle → Aktionspotenziale können dort nicht ausgelöst werden.

– Die Signalweiterleitung erfolgt passiv (elektrotonisch): schnell, aber mit schnellem Amplitudenabfall.

Warum darf der Abstand zwischen zwei Ranvier-Schnürringen nicht zu groß sein?

Weil das Potenzial beim passiven Überbrücken sonst zu stark absinkt → am nächsten Schnürring kann kein Aktionspotenzial ausgelöst werden.

Wie hängt die Leitungsgeschwindigkeit von der Faserdicke ab?

– Die Erregungsgeschwindigkeit steigt mit dem Axondurchmesser – sowohl bei myelinisierten als auch bei unmyelinisierten Fasern.

– Der Durchmesser bezieht sich auf die gesamte Faser inklusive Myelinschicht.

– Zur Klassifikation der Fasern existieren zwei gebräuchliche Fasertyp-Systeme.