Neurobiologie - Das Nervensystem

Das Nervensystem

• Bestandteile:

  • Das Gehirn

  • Das Kleinhirn

  • Der Hirnstamm

  • Das Rückenmark

  • Der Nerv

  • Nervengewebe

Nervenzellen - Neuronen

• Neuronen leiten Informationen als elektrische Impulse weiter.

• Für die „interne Kommunikation“ im Körper nutzen wir sowohl Hormone als auch Neurone.

• Die kurzen Fortsätze (Dendrit) übertragen z.B. Impulse zwischen Neuronen im Gehirn.

• Die langen Fortsätze (Axon) übertragen elektrische Impulse z.B. von den Zehen der Füße bis zum Rückenmark.

• Das menschliche Gehirn besteht aus ≈ $100$ Milliarden Neuronen.

Funktion der Neuronen

• Informationsaustausch über elektrische Impulse

  • Dendriten (Eingabe)

  • Soma (Verarbeitung)

  • Axon (Ausgabe)

Grundbauplan eines Neurons

• Das menschliche Gehirn hat ca. $100$ Milliarden Neurone (Nervenzellen). Der Grundbauplan ist aber immer gleich.

Myelinhülle

• Die Myelinhülle ermöglicht eine schnellere Übertragung.

• Die Einhüllung eines Axons durch Gliazellen wird Myelinhülle genannt.

• Signale können dadurch etwa $10$-Mal schneller als über marklose Axone übertragen werden.

• Die Myelinhülle ist in regelmäßigen Abständen von schmalen sogenannten Ranvierschen Schnürringen unterbrochen.

• Hier springen die Spannungsänderungen wegen der isolierenden Hülle nun depolarisierend von Schnürring zu Schnürring (saltatorische Erregungsleitung), wo dann ein Aktionspotential aufgebaut wird.

• Bei nicht myelinisierten Nervenfasern geschieht dies auf ganzer Länge der Axonmembran. Dies dauert länger.

Elektrische Signale – das Membranpotenzial

• Grundlage für die elektrischen Signale ist eine unterschiedliche Verteilung der Ladungen (Ladungsungleichgewichte) und Ionenströme.

• Die Ionen sind ungleich verteilt.

• Es gibt viele Protein-Anionen und Kaliumionen im Zellinnern und viele Natrium- und Chloridionen außen.

• Die Zellmembran hat verschiedene Kanäle, die für verschiedene Ionen durchlässig sind.

• In Ruhe ist die Zellmembran aber nur für Kalium-Ionen durchlässig ($K^+$-Kanäle).

• Weil die Ionen ungleich verteilt sind, diffundieren Kalium-Ionen nach außen.

• Andere Ionen können nicht diffundieren, deshalb kann kein Ladungsausgleich erfolgen.

• Deshalb bildet sich in Bezug auf die Ladungen ein Ungleichgewicht:

  • die Innenseite der Membran ist negativ

  • die Außenseite der Membran ist positiv.

• Mit jedem Kalium-Ion, das die Nervenzelle verlässt, wird dieses Membranpotenzial größer, bis es schließlich den Diffusionsdruck ausgleicht. Das ist bei etwa $-70mV$ der Fall.

Aktionspotenzial

• Ruhepotenzial: Ist die Membranspannung (Membranpotential) bei einer nicht-erregten Nervenzelle. Das Ruhepotential beträgt beim Menschen $-70mV$.

• Aktionspotential: Ist die kurze Veränderung des Membranpotentials einer erregbaren Zelle, hervorgerufen durch das durch einen Reiz ausgelöste selektive Öffnen und Schließen spannungsgesteuerter Natrium- und Kaliumionenkanäle. Ein Aktionspotential besteht aus zwei Phasen, der Depolarisierung und Repolarisierung.

• Depolarisierung: Es entsteht ein Aktionspotential.

• Repolarisierung: Das Aktionspotential wird abgebaut.

• Schwellenpotential: Es wird dann ein Aktionspotential ausgelöst, wenn ein bestimmter elektrischer Wert (Schwellenpotential) erreicht wird.

Ruhepotential

• Ein Ruhepotential wird durch aktiven Transport von Na-Ionen und Kalium-Ionen erzeugt. Dabei werden Na-Ionen nach außen, und K –Ionen nach innen transportiert.

• Dazu ist ATP notwendig.

• Dieses aktiviert die Ionen-Pumpen – so können Ionen entgegen dem Konzentrationsgradienten transportiert werden.

• An der Membran kann dann ein elektrisches Potential von –$70mV$ gemessen werden.

Schwellenpotential und Aktionspotential

• Als Schwellenpotential bezeichnet man eine Potentialdifferenz, bei der ein Aktionspotential ausgelöst wird.

• Werte unterhalb des Schwellenpotentials nennt man „unterschwellig“, solche darüber „überschwellig“. Das Schwellenpotential hat jeweils einen für die erregbare Zelle charakteristischen Wert – meist $-50mV$.

• Nur wenn dieser Wert (Schwellenwert) überschritten (überschwellig) wird, wird ein Nervenimpuls (Aktionspotential) ausgelöst.

• Ein Aktionspotential setzt sich aus zwei Teilprozessen zusammen: der Depolarisierung und Repolarisierung

Nervenimpuls = Aktionspotentiale

• Aktionspotentiale sind kurzzeitige Abweichungen des Membranpotentials. Dabei wird der Zustand des Ruhepotentials ($-70mV$) kurzzeitig verändert, so dass das Membranpotential zuerst positiv ($+30mV$) wird (Depolarisation) und anschließend wieder negativ (Repolarisation $-90mV$).

• Danach wird durch aktiven Transport erneut ein Ruhepotential am Axon hergestellt. Nun ist das Neuron wieder erregbar.

Ausbreitung von Nervenimpulsen

• Wie beim Umstoßen von Dominosteinen breiten sich auch Aktionspotentiale über das Axon ohne Abschwächung aus.

• Nervenimpulse sind Aktionspotentiale, welche am Axon des Neurons entlang geleitet werden. Diese Ausbreitung ist das Ergebnis lokaler Ströme, welche ein Schwellenpotential an der nachfolgenden Stelle am Axon auslösen. So entsteht dort eine Depolarisation (Aktionspotential).

• Anschließend wird die Depolarisation zur nächsten Stelle am Axon weitergeleitet. An der Stelle des Axons wo die vorherige Depolarisation stattfand, kommt es nun zur Repolarisation und später wieder zu einem Ruhepotential.

Zusatzinformationen Aktionspotential

• Ruhepotential = $Na^+$- und $K^+$- Kanäle sind geschlossen. Ein Reiz öffnet $Na^+$- Kanäle, bis Schwellenpotential erreicht wird. Es kommt zum Aktionspotential.

• Depolarisation: Die spannungsgesteuerten Ionenkanäle für $Na^+$ öffnen sich sehr schnell. $Na^+$ diffundieren mit dem Konzentrationsgradienten. Dies reduziert das Membranpotential und verursacht das Öffnen weiterer $Na^+$-Kanäle. Das Eintreten von positiv geladenen $Na^+$ führt zu einer positiven Ladung im Inneren des Neurons im Vergleich mit außen. Das Potential an der Membran ist umgekehrt.

• Repolarisation: $K^+$-Kanäle öffnen sich mit einer kleinen Verspätung – $K^+$ diffundieren nach außerhalb des Neurons mit dem Konzentrationsgradienten. Das Austreten der positiv-geladenen Ionen verursacht, dass das Innere des Neurons wieder eine negative Ladung aufbaut. Das Potential an der Membran ist wieder hergestellt Repolarisation.

• Nachpotential (Hyperpolarisation): Zu diesem Zeitpunkt ist der Nerv nicht erregbar ($1-2$ Millisekunden). Durch aktiven Transport von $Na^+$ und $K^+$ nach außen bzw. nach innen wird das Ruhepotential wieder hergestellt – der Nerv ist wieder erregbar.

Synapse

• Verbindungstelle zwischen einer Nervenzelle und einer anderen Zelle (Nervenzelle, Muskelzelle oder Drüsenzelle).

• Der Nervenimpuls wird zwischen verschiedenen Zellen übertragen.

Synapsen

• Neuronen kommunizieren miteinander über Synpasen!

• Synapsen verbinden Neuronen untereinander; Neuronen mit Rezeptoren (z.B. Schmerz-Rezeptoren) oder Neuronen mit Effektorzellen (z.B. Muskelzellen).

• Die Plasmamembranen der Neuronen sind durch einen flüssigkeitsgefüllten Raum getrennt (Synaptischer Spalt). Nachrichten werden über die Synapse mit Hilfe von Neurotransmittern übertragen. Dies geschieht immer in die gleiche Richtung Von der präsynaptischen zur post-synaptischen Membran.

Funktionsweise der Synapse

• 1. Ein Nervenimpuls wird über das Axon weitergeleitet bis er am präsynaptischen Neuron ankommt. Das präsynaptische Neuron wird vor der präsynaptischen Membran depolarisiert.

• 2. Die Depolarisation der präsynaptischen Membran hat zur Folge, dass $Ca^{2+}$–Ionen durch spezifische spannungsgesteuerte $Ca^{2+}$–Kanäle diffundieren.

• 3. Der Einstrom von $Ca^{2+}$–Ionen aktiviert Vesikel mit Neurotransmittern (Acetyl- CoA) – sie bewegen sich zur Membran am synaptischen Spalt.

• 4. Vesikel mit Neurotransmittern verschmelzen mit der Membran und geben Neurotransmitter in den synaptischen Spalt ab (Exozytose).

• 5. Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an spezifische Rezeptoren an der postsynaptischen Membran.

• 6. Die Bindung von Neurotransmittern an die Rezeptoren aktiviert die hier gelegenen $Na^+$-Kanäle sich zu öffnen. Es kommt zum Einstrom von $Na^+$- Ionen.

• 7. Der Schwellenwert wird erreicht dies führt zur Depolarisation des postsynaptischen Neurons. Das damit entstandene Aktionspotential wird über das Neuron weitergeleitet.

• 8. Die Neurotransmitter im synaptischen Spalt werden sehr schnell abgebaut und aus dem synaptischen Spalt entfernt. Die Synapse ist wieder erregbar.

Neurotransmitter werden reabsorbiert

• Die Weiterleitung des Aktionspotentials an Synapsen geschieht über chemische Botenstoffe Neurotransmitter. Ein Beispiel dafür ist Acetyl-Cholin.

• 2. Erreicht ein Aktionspotential das präsynaptische Neuron, befindet sich Acetyl- Cholin in Vesikeln. Diese wandern nach der Aktivierung durch $Ca^{2+}$–Ionen zur Membran und werden hier exozytiert. Acetylcholin diffundiert durch den synaptischen Spalt zur post-synaptischen Membran und bindet dort an Rezeptoren und bewirkt die Depolarisation.

• 3. Diese Bindung ist so kurz, sodass nur eine einzige Depolarisation (nur 1 Aktionspotential!) ausgelöst wird. Um weitere synaptische Meldungen zu verhindern werden die Neurotransmitter im synaptischen Spalt schnell aufgespalten.

• 4. Dabei wird Acetylcholin (1) von dem Enzym Acetylcholinesterase (2) in Acetat (Essigsäuresalz) und Cholin aufgespalten (3). Daraufhin schließen sich die Rezeptoren für die Na-Kanäle an der post-synaptischen Membran (Zahlen korrespondieren mit Abbildung 352).

• 5. Cholin wird nun in das präsynaptische Neuron transportiert (4) und dort mit Acetyl-CoA zu neuen Neurotransmittern ( Acetyl-Cholin) in Vesikeln eingelagert.

Neonikotin blockiert Synapsen

• Neonikotin ist eine dem Nikotin sehr ähnliche künstliche Verbindung. Neonikotin bindet an die Rezeptoren für Acetylcholin (1) an der post-synaptischen Membran.

• Diese Synapsen nennt man cholinergische Synapsen, da sie als Neurotransmitter Acetyl-Cholin nutzen. Cholinergische Synapsen findet man spezifisch im Nervensystem von Insekten. Das Enzym Acetylcholinesterase kann Neonikotin nicht aufspalten.

• Daher ist die Bindung irreversibel. Aufgrund der Bindung von Neonikotin an die Rezeptoren (2) können diese nicht mit Acetyl-Cholin (3) binden (irreversible Hemmung).

• So kann ein ankommendes Aktionspotential nicht über die Synapse weitergeleitet werden. Konsequenz dieser Hemmung ist der Tod dieser Insekten.