Neurobiologie: Grundkenntnisse Klasse 12
Grundlagen
Biomembranen:
-
Lipide + Proteine (40-60%), Kohlenhydrate
(1-2%)
-
Phospholipiddoppelschicht
-
Kopf des Phospholipids: hydrophil / Schwanz:
hydrophob
-
keine feste Struktur (beweglich) =
durchlässig für kleine Moleküle
-
Ionenkanäle = Spannungsgesteuert,
Ligandengesteuert, Mechanischgesteuert
                        Â
Carrier (Molekül bindet, Form verändert sich)
                        Â
Tunnel (selektiv -> nur für bestimmte Stoffe)
-
aktiver Transport (ATP, gegen Konzentrationsgefälle)
-
passiver Transport (mit Konzentrationsgefälle
Proteine:
-
Form = Funktion
-
Formverändert = funktionsunfähig
-
mind. 20 Aminosäuren (Polypeptidketten)
-
Primärstruktur (Anzahl und Reihenfolge in
Polypeptidkette)
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Sekundärstrunktur (α-Helics, β-Faltblatt, unregelmäßig) – räumliche Anordnung
-
Tertiärstruktur (Raumgestalt ganze
Polypeptidkette / Anordnung Sekundärstruktur)
-
mehrere Makromoleküle bilden Molekülaggregat
(Quartärstruktur)
-
Aufbau der Proteine = Selektivität von
Ionenkanälen
Membranpotenzial nimmt ab, weil Neurotransmitter abgebaut
wird !
Enzyme:
-
Hauptbestandteil = Proteine
-
aktives Zentrum = Substratbindungsstelle
-
Wirkungsspezifisch -> eine Reaktion,
mehrere oder ähnliche Substrate
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Substratspezifisch -> bestimmtes Substrat
-
Enzym-Substrat-Komplex
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kompetitive Hemmung = Inhibitor ist
reversibel und hemmt Enzym
-
irreversible Hemmung (Schwermetalle) =
Ausfall der Stoffwechselreaktionen
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allosterische Hemmung =Â reversibler Effektor
blockiert allosterisches Zentrum -> Veränderung des aktiven Zentrums
-
Reaktionsgeschwindigkeit der
Effektorenmoleküle herabgesetzt = Hemmung ; Zunahme der
Reaktionsgeschwindigkeit = Aktivierung
Synapsengifte:
-
Manipulation der Rezeptorenkanäle
(Atemlähmung Herzstillstand)
-
Manipulation der Ca2+-Kanäle
-
Hemmung der abbauenden Enzyme
-
Nicotin wirkt wie Acetylcholin, wird aber
nicht abgebaut
-
Hemmung Acetylcholinesterase (Atemlähmung,
Muskelkrämpfe)
-
Muskarin wie Acetylcholin, wird aber nicht
abgebaut (Krämpfe, Atemlähmung)
Struktur und Funktion
Nervenzelle:Â
-
Dendrit: Empfang von Nervensignalen
-
Soma: enthält Zellkern + wesentliche
Zellorganellen, Hauptteil des Stoffwechsels
-
Axonhügel: ``entspringt`` Axon
-
Axon: Weiterleitung von Nervensignalen
-
Synapse: Kontaktstelle,
Informationsübertragung
-
Ranvier’sche Schnürringe: Signalweiterleitung
Synapse:
-
Reiz(Aktionspotenzial) kommt über Muskelfaser
zum Endknöpfchen
-
Depolarisation
-
Na+-Kanäle öffnen sich ->
Depolarisation der Membran
-
Ca2+-Kanäle öffnen sich -> Ca2+
strömt ins Zellinnere
-
Calcium-Vesikel mit Neurotransmitter
verschmelzen mit Membran (Exocytose)
-
Acetylcholin freigesetzt und diffundiert über
Spalt und bindet an Rezeptoren
-
Depolarisation -> Öffnung Ionenkanäle =
Einstrom von Na+ in andere Zelle
-
Acetylcholinesterase spaltet Acetylcholin zu
Acetyl-CoA und Cholin
-
Acetylcholin durch Coenzym A aktiviert, wird
durch Spaltungsstoffe reproduziert und in Präsynapse aufgenommen
-
Synapsen entstehen zwischen einer Nervenzelle
und einer Muskel- oder Drüsenzelle
Ionenkanäle:
-
positiv und negativ geladene Ionen sind
hydratisiert
-
Lipid-Dppelschicht = hydrophob
-
in Lipid-Doppelschicht: Ionenkanäle
-
Spannungsgesteuert (Öffnung bei Änderung der
Membranspannung)
-
Ligandengesteuert (Öffnung wenn ein Ligand
an Protein bindet)
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Mechanischgesteuert (Öffnung + Schließung bei
mechanischer Belastung)
-
Carrier (Molekül bindet, Form verändert sich)
-
Tunnel (selektiv -> nur für bestimmte
Stoffe)
-
aktiver Transport (ATP, gegen
Konzentrationsgefälle)
-
passiver Transport (mit
Konzentrationsgefälle)
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Natrium-Kalium-Pumpe:
-
Na+-K+-Pumpe = in der
Membran liegendes Pumpenprotein
-
Unter ATP Spaltung -> Gleichzeitig K+-Ionen
nach innen ; Na+-Ionen nach außen
-
ATP Energie in ungleicher Ionenverteilung
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Bsp: Hohe K+-Ionenkonzentration im
Zellinneren
-
Niedrige K+-Ionenkonzentration im
extrazellulären Raum
-
Na+-Ionen im extrazellulären Raum
in hoher Konzentration
-
Na+-Ionen im intrazellulären Raum
in niedriger
-
Na+-K+-Pumpe erhält
durch Transportmechanismus Verhältnis aufrecht
Reiz -> Reaktion: Â Â Â Â Â Â Â Â Â
-
Reiz -> Verarbeitung -> Reaktion
-
1. Reize aus der Umwelt (Licht, Schallwellen,
Druck)
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2. Sinnesorgane mit Sinneszellen
(=Rezeptoren)
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3. Weiterleitung über Nervenzellen zum Gehirn
und Rückenmark (ZNS = zentrales Nervensystem, dort Steuerung, Wahrnehmung +
Verarbeitung)
-
4. Weiterleitung durch Nervenzellen zum
Erflogsorgan (Reaktion)
Spannung:
-
Bestreben zum Ladungsausgleich
-
unabhängig vom Stromfluss
-
auch: Membranpotential zwischen zwei Orten
unterschiedlicher Ladung
Erregung am Axon:
-
Erregungsleitung vom Zellkörper weg
-
Dicke Axone leiten schneller als dünne
-
mit Myelinscheide:
-
Ionen sind leicht beweglich
-
Aktionspotenziale entstehen im Bereich der
Ranvier’schen Schnürringe, da nur dort spannungsgesteuerte Na+-Kanäle
liegen
-
positiven Ladungen an Stelle A ziehen
negativen Ladungen von Stelle B (rechts liegender Schnürring) an
-
Membranpotenzial an dieser Stelle = weniger
negativ
-
Spannung über Schwellenwert ->
Aktionspotenzial wird ausgebildet
-
Unterschied zu Axon ohne Myelinscheide:
Erregung springt von Schnürring zu Schnürring
-
ohne Myelinscheide:
-
Aktionspotenzial entsteht an Stelle A ->
Ionen verschieben sich in der Nachbarschaft (Na+-Ionen im
Axoninneren ziehen Cl—Ionen an = schwache elektrische Strömungen)
-
ist Stelle B über Schwellenwert depolarisiert
entsteht dort auch ein Aktionspotenzial
-
unerregter Axonteil: positive Ladungen im
Zelläußeren sind durch sehr dünne Membran von negativer Ladung im Zellinneren
getrennt
-
Anziehungskraft der Ionen behindert
Verschiebung der Ionen entlang der Membran
-
Teil des Ionenstroms fließt durch Axonmembran
ab = Leckstrom
postsynaptische Potenziale:
-
Ankommen eines Aktionspotenzials an
erregender Synapse, erzeugt kurze Depolarisation -> erregende
postsynaptische Potenziale
-
Ankommen eines Aktionspotenzials an hemmender
Synapse, erzeugt kurze Hyperpolarisation -> inhibitorische postsynaptische
Potenzial
-
zeitliche Summation = Aktionspotenziale in
kurzen Zeitabständen
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räumliche Summation = Aktionspotenziale
ankommend an verschiedenen Synapsen
Ruhepotenzial:
-
Membranpotenzial im unerregten Zustand
-
Spannung zwischen Cytoplasma (-) und
Zwischenzellflüssigkeit (+)
-
Ladungen nur durch selektiv permeable
Zellmembran getrennt
-
spannungsgesteuerte
Na+-Kanäle und K+-Kanäle geschlossen
-
K+-Ionen (links) diffundieren
wegen hohem Konzentrationsgefälle -> Überschuss an positiver Ladung (rechts)
; Ãœberschuss an negativer Ladung (links)
-
Aufbau einer Spannung
-
Ladung zieht sich an -> Cl—-Ionen
ziehen einen Teil der K+-Ionen nach links zurück
-
Ausstrom und Rückstrom halten sich die Waage
= Gleichgewichtsspannung
-
im Zellinnern herrscht ein Ãœberschuss an
negativer Ladungen
-
einige Na+-Kanäle im Ruhezustand
geöffnet -> Ruhepotenzial etwas weniger negativ (-60mV)
Aktionspotenzial:
-
Erregung (Veränderung Ruhepotenzial) ->
Depolarisation (Spannung weniger negativ)
-
Schwellenwert überschritten -> Öffnung spannungsgesteuerte
Na+-Kanäle
-
Na+-Ionen strömen ins Axon ein
-> Spannung wird weiter depolarisiert -> Öffnung weiterer Na+-Kanäle
-
Strömen mehr Na+-Ionen nach innen
als K+-Ionen nach außen (Überschuss an positiver Ladung im Axon)
-
Na+-Kanäle während Refraktärzeit
geschlossen ( Zeitraum nach Auslösung eines Aktionspotentials),
auch wenn Depolarisation andauert
-
Ebenfalls durch Depolarisation Öffnung von K+-Kanälen
-> kurze Hyperpolarisation (Spannung ist negativer als während dem
Ruhepotenzial)
-
spannungsgesteuerte Na+-Kanäle und
K+-Kanäle schließen wieder -> Ruhepotenzial stellt sich wieder
ein
Skelettmuskel:
Muskelkontraktion:
-
Kontraktion = zusammen ziehen
-
Synapse gibt Aktionspotenzial über
Zellmembran an das T-System weiter
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ER setzt Ca2+-Ionen frei
-
Ca2+-Ionen werden von Troponin
gebunden
-
Tropomyosin schiebt zur Seite ->
Bindungsstellen für Myosinköpfchen werden frei (Veränderung der
Troponinstruktur)
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Köpfchen binden an Aktinfilament und klappen
um -> Aktinfilament wird in Kontraktionsrichtung gezogen (isotonische
Kontraktion) oder Halsstück wird gedehnt (metrische Kontraktion)
-
ATP spaltet sich beim Abknicken des Kopfes zu
ADP und Phosphatrest
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ATP spannt Myosinkopf, löst sich das ATP vom
Myosin löst sich das Köpfchen von der Bindung (er bindet danach erneut am
Actinfilament)
-
durch abknicken und wieder binden werden
Filamente aneinander vorbeigezogen
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Zurückpumpen von Ca2+-Ionen ins ER
= Beendigung der Kontraktion
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ATP-Mangel: Myosinköpfe bleiben am Actin
-> Muskel wird starr
Methodik
Patch-Clamp-Technik:
-
elektrische Verhalten von Membranproteinen an einzelnen Molekülen
-
gefüllte Patch-Pipette wird
vorsichtig auf eine intakte Zelle gedrückt
-
Unterdruck am
hinteren Ende der Pipette
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starke Verbindung zwischen Membran und
Pipette
-
entsteht ein elektrischer
Widerstand
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Strom fließt durch Ionenkanal innerhalb des
Patches und durch Pipetteninhalt
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In Pipettenlösung taucht eine Elektrode die
an einen Verstärker angeschlossen
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Aktivität eines einzelnen Ionenkanals in
der Membran des Patches messbar
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weiterer
Unterdruck am Ende der Pipette
-
Patch
kann geöffnet werden
-
Patch
nicht geöffnet, sondern Pipette abgezogen, befindlicher Teil der Membran löst
sich und bleibt an der Pipette
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vormals
innere Seite weist nun nach außen, vormals äußere Seite ist im Inneren der
Pipette
Messung:
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Axon
liegt in Meerwasser (Salzwasser)
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Mikroelektrode
ins Axoninnere
-
Messelektrode
über Verstärker mit Oszilloskop (Spannungsmesser) und mit Bezugselektrode (Wert
= 0 V) verbunden
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gemessene
Spannung = Potential im Zellinnern
-
Potential
nur über Grenzschicht messbar (z.B. Membran)