Bausteine des Gehirns

Question 1

Was sind die wesentlichen Bausteine des Gehirns?

Answer 1

• Nervenzellen (Neuronen): wichtigste Aufgabe ist die Informationsverarbeitung.
• Gliazellen: Nach heutigem Wissen keine Informationsverarbeitung, sondern Stütz- und Hüllfunktionen.

Question 2

Mit welcher Färbemethode kann man die Pyramidenzellen färben, um sie besser sichtbar zu machen?

Answer 2

Pyramidenzellen können mittels der Golgi-Technik gefärbt werden. Dabei wird eine dünne Schicht von Gehirngewebe in eine Lösung aus Silbernitrat und anderen Chemikalien gelegt, so dass die Pyramidenzellen sichtbar gemacht werden können.

Question 3

Wie ist die Grobstuktur von Neuronen und aus welchen wesentlichen Teilen bestehen Neurone?

Answer 3

Grobstruktur:
• Dendriten
• Zellkörper (Soma)
• Axon

Wesentliche Teile: Zellkern (Nucleus)
Zellorganellen
Zytoplasma
Zellmembran (das Neurolemm) Kanal- oder Membranproteine

Question 4

Welche grundsätzliche Funktion haben Dendriten, das Axon und der Zellkörper?

Answer 4

• Dendriten: dienen der Informationsaufnahme. Sie erhalten Informationen von anderen Neuronen.
• Zellkörper: Integration der Informationen, die die Dendriten und der Zellkörper selbst aus anderen Zellen erhalten.
• Axon: Informationen aus dem Zellkörper werden weitergeleitet zu anderen Zellen.

Question 5

Was besagt die „Neuronen-Hypothese“?

Answer 5

Die Neuronen-Hypothese (Ramon y Cajal) postuliert, dass Neuronen die Grundeinheiten der Gehirnfunktionen sind.

Question 6

Charakterisieren Sie die Aufgaben von Neuronen?

Answer 6

• Informationsaufnahme und –verarbeitung
• Informationsweitergabe
• Ansteuerung von Muskeln
• In grossen Verbänden regulieren die Neuronen die grundlegenden Rhythmen des Gehirns
• In grossen Verbänden organisieren Neuronen sämtliche sensorischen, kognitiven und emotionale Funktionen 11
• Das menschliche Gehirn besteht aus ca. 10 Neuronen. • Speicherfunktionen
• Bildung von Proteinen (Proteinsynthese)
• Replikation genetischer Information

Question 7

Beschreiben Sie die detailliert die Struktur eines Neurons.

Answer 7

• Dendriten dienen der Informationsaufnahme; 1-20 Dendriten pro Neuron;
• Dendritenoberfläche wird durch kleine Auswüchse, Dendritic spines (Dornen, Stachel) genannt, vergrössert. Je grösser Dendritisierung (Antennenstruktur) desto komplexer die Informationsaufnahme.
• Zellkörper (Soma): Integration der Informationen, die die Dendriten und der Zellkörper selbst aus anderen Zellen erhalten. Beinhaltet den Zellkern (Nucleus)
• Axonhügel: Extension des Zellkörpers; Generiert Aktionspotentiale.
• Axon (Neurit): Informationen aus dem Zellkörper werden weitergeleitet. Beginnt am Axonhügel.
• Axonkollaterale: Axon kann verschiedene Äste haben.
• Teleodendria: mehrere feinere Äste am Ende des Axons.
• Terminale Verdickungen (synaptische Endknöpfchen): Verdickungen am Ende der Teleodendria; Diese sind nah an den Dendriten anderer Neuronen, berühren diese jedoch nicht direkt.
• Synapse: besteht aus 3 Teilen, nämlich
• einer terminalen Verdickung eines Neurons (präsynaptische Membran) - einem Dendrit eines anderen Neurons (postsynaptische Membran)
• und dem Raum zwischen diesen beiden (synaptischer Spalt).

Question 8

Welche Neuronen-Typen kennen Sie und welche Aufgaben haben diese?

Answer 8

Die im Nervensystem befindlichen Neuronen unterscheiden sich auf mehrere Weise in Aufbau und Funktion, folgen dabei aber alle dem gleichen Prinzip. Optisch lassen sie sich dabei sehr gut durch die Art und Anzahl ihrer Fortsätze klassifizieren.

• Es gibt unipolare Nervenzellen, die nur mit einem einzigen, kurzen Fortsatz ausgestattet sind. In der Regel entspricht dieser dem Axon. Man findet sie beispielsweise als primäre Sinneszellen in der Netzhaut des Auges.
• Bipolare Nervenzellen haben zwei, an gegenüberliegenden Stellen des Zellkörpers entspringende Fortsätze. Auch sie befinden sich in der Netzhaut des Auges und sind unter anderem im Hör- und Gleichgewichtsorgan anzutreffen.
• Ebenfalls über zwei Fortsätze verfügen die pseudounipolaren Nervenzellen. Dort jedoch gehen Axon und Dendrit an ihren Mündungsstellen ineinander über. Man findet sie bei Sinneszellen, deren Perikaryen in den Spinalganglien liegen.
• Als vierte und sehr häufig vorkommende Gruppe sind die multipolaren Nervenzellen zu erwähnen. Sie besitzen zahlreiche Dendriten und ein Axon.

Funktionell kann man verschiedene Arten von Neuronen unterscheiden:
• Sensorische Neurone: leiten Informationen zum zentralen Nervensystem. Sie sind für die sensorische Verarbeitung zuständig.
• Interneurone: für die Integration von sensorischen und motorischen Informationen im ZNS. Assoziationszellen (stellate cell): kleine Zelle mit vielen Dendriten; aufgrund der vielen Dendriten kann man das Axon nur schlecht sehen.
• Pyramidenzellen: haben ein langes Axon, einen pyramidenförmigen Zellkörper und zwei Gruppen von Dendriten und zwar einen beim Apex des Zellkörpers und die anderen seitlich des Zellkörpers, häufigste Form eines Neurons im Kortex.
• Purkinje Zellen: Art von Pyramidenzellen mit extrem verzweigten Dendriten (z.B. im Cerebellum).
• Motorneurone leiten Informationen vom Gehirn und Rückenmark (RM) zu den Muskeln. Sind für die motorische Verarbeitung zuständig. Haben ein ausgedehntes Netz von Dendriten, einen grossen Zellkörper und ein langes Axon, welches Informationen zu den Muskeln leitet. (z.B. im RM)

Question 9

Wie kommunizieren Neurone grundsätzlich miteinander? Nennen sie nur die grundsätzlichen Prinzipien.

Answer 9

Über elektrische und chemische Informationswege.

Question 10

Wie ist die grundsätzliche „Sprache“ des Gehirns, oder anders ausgedrückt, welches sind die beiden wichtigen Informationsverarbeitungsprinzipien des Nervensystems?

Answer 10

Erregung und Hemmung werden zu Nettoerregung verrechnet.

Question 11

Aus welchen Bestandteilen (Organellen) besteht eine Nervenzelle?

Answer 11

• Zellmembran
• Zellkörper, Nucleus
• Endoplasmatisches Reticulum (ER) • Golgi Körper
• Tubuli
• Mitochondrien
• Lyosomen

Question 12

Erklären Sie den grundsätzlichen Aufbau der Zellmembran. Woraus besteht der hydrophile bzw. hydrophobe Teil der Zellmembran?

Answer 12

Die Zellmembran besteht aus einer phospholipiden Doppelschichtstruktur. Sie besteht somit aus 2 Teilen, nämlich:

• Hydrophiler Kopfteil (H2O-löslich) am äusseren und inneren Ende der Zellmembran. Dieser Teil zieht H2O an, da es polar ist. Hydrophiler Teil besteht aus einer Phosphorverbindung, die an andere Atomen gebunden ist. Er hat einen positiv geladenen Teil am oberen Kopfende und einen negativen Teil in der Mitte.
• Zwei hydrophobe Schwänzchen gegen innen. Dieser Teil der Zellmembran ist apolar, d.h. er stösst H2O ab. Der hydrophobe Teil besteht aus Wasserstoff- und Kohlenstoffatomen.

Question 13

Was sind Gene?

Answer 13

Ein Gen ist ein Abschnitt auf der Desoxyribonukleinsäure (DNS), der die Grundinformationen zur Herstellung einer biologisch aktiven Ribonukleinsäure (RNS) enthält. Bei diesem Herstellungsprozess (Transkription genannt) wird eine Negativkopie in Form der RNS hergestellt. Es gibt verschiedene RNS, die bekannteste ist die mRNS (messenger RNS), von der während der Translation ein Protein übersetzt wird. Dieses Protein übernimmt im Körper eine ganz spezifische Funktion, die auch als Merkmal bezeichnet werden kann.
Allgemein werden Gene daher als Erbanlage oder Erbfaktor bezeichnet, da sie die Träger von Erbinformation sind, die durch Reproduktion an die Nachkommen weitergegeben werden. Die Expression, das heißt die Ausprägung oder der Aktivitätszustand eines Gens, ist in jeder Zelle genau reguliert.

Die Erforschung des Aufbaus und der Funktion und Vererbung von Genen ist Gegenstand der Genetik. Die Erforschung der Gesamtheit aller Gene eines Organismus (des Genoms) ist Sache der Genomik (engl. genomics). (Def. nach Wikipedia)

Question 14

Was sind Chromosomen und aus welchen Nucleotiden bestehen Sie?

Answer 14

• Chromosomen (von griechisch: χρῶμα =Chroma, „Farbe“ und σῶμα = Soma, „Körper“, also „Farbkörperchen“ oder „anfärbbares Körperchen“) sind die stofflichen Haupträger der Gene und damit der Erbinformation. Sie bestehen jeweils aus einem Molekül DNS, welches mit vielen Proteinen verpackt ist. Das Material aus dem die Chromosomen bestehen wird als Chromatin bezeichnet.
• Ein Nukleotid ist ein Molekül, das als kleinster Baustein von Nukleinsäuren (DNS und RNS) fungiert und auch im genetischen Code verwendet wird. Außerdem haben viele Arten von Nukleotiden lebensnotwendige regulatorische Funktionen in Zellen, beispielsweise das ATP, das cAMP und das GTP.
• Die Riesenmoleküle DNS und RNS sind aus insgesamt fünf verschiedenen Sorten von Nukleotiden zusammengesetzt, die in beliebiger Reihenfolge mit Hilfe von Atombindungen zum jeweiligen Makromolekül verknüpft werden können. Die dabei ablaufende Reaktion ist eine Kondensationsreaktion. Drei miteinander verbundene Nukleotide bilden die kleinste Informationseinheit, die in der DNS und RNS zur Kodierung der genetischen Information zur Verfügung steht. Man nennt diese Informationseinheit ein Codon.

Wie heissen die fünf Nukleobasen (Nukleotide), die als Grundbausteine der DNS gelten: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T), Uracil (U)

In der DNS werden nur vier dieser Basen (A, G, C, T) verwendet, in der RNS ist die Nukleo- base Thymin (T) gegen Uracil (U) ausgetauscht.

Question 15

Wieviele Chromosomen hat der Mensch?

Answer 15

23 Chromosomen

Question 16

Was passiert im Endoplasmatischen Reticulum (ER)?

Answer 16

Im ER geschieht die Translation. Sobald die mRNS das ER erreicht, wird der genetische Code der mRNS von einem Ribosom abgelesen und in Aminosäuren übersetzt.

Question 17

Was versteht man unter der Transkription?

Answer 17

Unter Transkription versteht man den Transfer der Information von DNS zu RNS. Anhand eines DNS-Strangs wird von frei-treibenden Nukleotiden ein RNS-Strang konstruiert. Dieser ist dem DNS-Strang sehr ähnlich, ausser dass das Nukleotid Thymin durch Uracil ersetzt wird. Die durch Transkription entstandene RNS nennt man auch mRNS (messenger RNS).

Question 18

Was versteht man unter der Translation?

Answer 18

Unter Translation versteht man den Transfer von Information von einer mRNS in eine Polypeptidkette. Im Endoplasmatischen Reticulum liest ein Ribosom die Nukleotide der mRNSA ab. Dabei kodieren 3 Nukleotide (=Codon) eine Aminosäure. Das Ribosom bildet also pro Codon eine Aminosäure. Die einzelnen Aminosäuren sind miteinander verbunden und bilden zusammen eine Polypeptidkette (mehr als 100 aneinander geklebte Aminosäuren).

Question 19

Welche Aufgabe hat die mRNS?

Answer 19

Die mRNS ist für den Transport von genetischer Information zuständig. Es transportiert den genetischen Code aus dem Zellkern ins Endoplasmatische Reticulum.

Question 20

Was ist DNS?

Answer 20

Die Abkürzung DNS bedeutet Desoxyribonukleinsäure. DNS sind Nukleinsäuremoleküle, die in Form einer Doppelhelix angeordnet sind.

Question 21

Was passiert an den Ribosomen?

Answer 21

An den Ribosomen werden Codone (1 Codon = 3 Nukleotidbasen) in Aminosäuren übersetzt. Die Ribosomen bilden also die Proteine für die Polypeptidkette. Diesen Prozess nennt man Translation.

Question 22

Was ist ein Codon?

Answer 22

Codon = Nukleotidtripplet, das eine Aminosäure kodiert.

Question 23

Was sind Proteine?

Answer 23

Ein Protein ist ein organisches Molekül, das aus Ketten von Aminosäuren, die über Peptidbindungen miteinander verknüpft sind, besteht.

Question 24

Wieviele Di-Peptide können aus 20 Aminosäuren zusammengebaut werden?

Answer 24

Ein Di-Peptid besteht aus 2 Aminosäuren. Man kann demzufolge 20*20 = 400 Di-Peptide zusammenbauen.

Question 25

Wieviele Tri-Peptide können aus 20 Aminosäuren zusammengebaut werden?

Answer 25

Ein Tri-Peptid besteht aus 3 Aminosäuren. Man kann 202020 = 8000 Tri-Peptide zusammenbauen.

Question 26

Was passiert im Golgi-Apparat?

Answer 26

Das Einpacken von Proteinen in Vesikel, und das „Adressieren“. Danach werden die Proteine für den Transport an ihren Bestimmungsort auf Motormoleküle geladen.

Question 27

Wie werden Proteine vom Zellkörper in die Synapse transportiert?

Answer 27

Die Proteine werden auf Motormoleküle geladen, die entlang den Mikrotubuli an die Zielorte, z.B. das synaptische Terminal wandern.

Question 28

Was sind Rezeptoren?

Answer 28

Andockstellen in der Zellmembran bzw. für Moleküle, Neurotransmitter und andere Proteine. Diese binden sich nach dem Schlüssel-/Schloss Prinzip an den Rezeptor an, worauf das Protein seine Form ändert und neuen Funktionen dienen kann wie bspw. Pumpen oder Tore.

Question 29

Welche Elemente kommen im ZNS vor?

Answer 29

Es gibt 10 Elemente, die vorrangig im ZNS vorkommen, nämlich:

• Wasserstoff – H
• Kohlenstoff – C
• Sauerstoff – O
• Stickstoff – N
• Calcium – Ca
• Phosphor – P
• Kalium – K
• Schwefel – S
• Natrium – Na
• Chlor – Cl

Question 30

Erklären Sie die Wasserstoffbrückenbindung.

Answer 30

Ein Wassermolekül (H20) besteht aus 2 Wasserstoffatomen (H) und einem Sauerstoffatom (O). Das O-Atom hat 6 Elektronen in der äusseren Hülle und tendiert dazu, die äussere Hülle auf 8 Elektronen aufzufüllen und gilt somit als reaktionsfreudig. Durch die Bindung mit 2 H- Atomen, die je ein Elektron in der äusseren Hülle tragen, kann sich das O-Atom diese 2 Elektronen mit den H-Atomen teilen und somit wird die äussere Hülle des O-Atoms auf 8 Elektronen vervollständigt. Auf dieser Weise entsteht ein H2O-Molekül, das leicht polar ist. Diese Polarität beim H20-Molekül kommt dadurch zustande, dass die 2 Elektronen der H-Atome vom stärker positiv geladenen O-Atomkern stärker angezogen werden als von den H-Atomkernen. Deshalb ist auf der Seite des O-Atoms das H2O-Molekül leicht negativ und auf der Seite der H-Atome leicht positiv geladen. Durch diese Polarität wirken H2O-Moleküle elektrisch anziehend aufeinander, d. h. der eher positiv geladene Teil eines H2O-Moleküls zieht den eher negativ geladenen Teil eines anderen H2O-Moleküls an. Diese Anziehungskraft wird in der Chemie Wasserstoffbrückenbindung genannt.

Question 31

Was sind polare Moleküle?

Answer 31

Ein polares Molekül (Dipolmolekül) ist ein Molekül mit einer ungleichen Ladung, so dass eine Seite des Moleküls negativ und die andere positiv geladen ist.

Question 32

Wie funktioniert die Salzlöslichkeit im Wasser?

Answer 32

Unter Hydratisierung – häufig auch mit Hydratation oder Hydration bezeichnet – versteht man die Anlagerung von Wassermolekülen an gelöste Ionen. Dadurch entsteht eine Hydrathülle (auch als Hydrat-Sphäre bezeichnet).

Salze bestehen immer aus 2 Ionen, die sich gegenseitig anziehen und ein Kristallgitter bilden (z. Bsp. Na+ + Cl-= NaCl). Die polare Eigenschaft von H2O führt dazu, dass die Ionen, die für die Bildung eines Salzes verantwortlich sind (in diesem Fall Na+ und Cl-), getrennt werden. Die H2O-Dipole ordnen sich im elektrischen Feld entsprechend des Ions regelmässig an (d.h. negativer Pol des H2O-Moleküls zieht die positiv geladenen Ione und der positive Pol zieht die negativ geladenen Ione an). Die H2O-Moleküle bilden eine Hydrathülle und trennen auf diese Weise die Na+ und Cl–Ione voneinander.

Question 33

Erläutern Sie das Grundprinzip der Membran-Kanäle, -Tore und –Pumpen.

Answer 33

• Kanäle: Ein Protein in einer Zellmembran mit einer Öffnung, welche das Passieren von Ionen unter bestimmten Bedingungen erlaubt. Verschiedene Grössen erlauben das Passieren von verschiedenen Molekülen und Proteinen.
• Tore: Ein Protein in einer Zellmembran mit einer verschliessbaren Öffnung, welche das Passieren von Substanzen in geöffnetem Zustand erlaubt. Als Reaktion auf einen bestimmten Auslöser ändert sich die Form des Proteins, was die Öffnung oder Schliessung des Tores bewirkt.
• Pumpe: Ein Protein in einer Zellmembran, welches dem aktiven Transport dient. Es transportiert aktiv Ionen durch die Zellmembran.

Question 34

Was sind Gliazellen?

Answer 34

• Gliazellen sind Stütz- und Hüllzellen.
• Im Gegensatz zu Neuronen sind Gliazellen (nach heutigem Wissen) nicht für die Informationsverarbeitung verantwortlich. Jedoch unterstützen sie die Neuronen bei der Informationsübertragung und beim Stoffwechsel. Es gibt im Gehirn des Menschen ca. zehnmal so viele Glia- wie Nervenzellen.
• Gliazellen werden ständig neu gebildet und ersetzt.

Question 35

Welche Typen von Gliazellen kennen Sie?

Answer 35

• Ependymzellen
• Astrozyten
• Mikroglia
• Schwannsche Zellen
• Oligodendroglia

Question 36

Welche Aufgaben haben Ependymzellen?

Answer 36

Kleiden die Wände der Ventrikel aus. Produzieren (mit dem Plexus choroideus) Cerebrospinal- flüssigkeit (CSF) und geben diese in den Ventrikel ab. CSF dient als Puffer bzw. Schutz des Nervengewebes.

Question 37

Beschreiben Sie die Funktion der Astroglia.

Answer 37

• Astroglia (auch Astrozyten genannt) „docken“ an Neurone und Blutgefässe an und verbinden diese beiden miteinander. Mehrere solcher „angedockter“ Astroglia bilden die sogenannte Blut-Hirn-Schranke (BHS).
• Neben der Generierung der BHS als Hauptfunktion, versorgen die Astroglia auch die Neurone mit Nährstoffen, sind für die Vasodilatation (Erweiterung) der Blutgefässe und die Narbenbildung von Bedeutung.
• Vasodilatation = Erweiterung der Blutgefässe. Das Gehirn muss immer mit O2 versorgt werden. Die Neurone teilen der Astroglia mit, dass sie O2 brauchen, darauf hin sorgt die Astroglia dafür, dass das Blutgefäss erweitert wird und sauerstoffangreichertes Blut anfliessen kann.
• Narbenbildung: Bei bestimmten Demenzerkrankungen stirbt Astroglia ab. Es bleibt nur ein Resthäufchen übrig, welches als Plaque benannt wird und für die Diagnose solcher Krankheiten von Bedeutung ist, weil man es mit bildgebenden Verfahren sichtbar machen kann.

Question 38

Was ist die BHS?

Answer 38

Ein Art „Schutzmauer“, die aus Astroglia besteht und das Gehirn davor schützen soll, durch toxische Substanzen verletzt oder zerstört zu werden. Dank der BHS gibt es relativ wenige entzündliche Erkrankungen des Gehirn.

Question 39

Welche Substanzen können die BHS passieren und welche nicht?

Answer 39

 Kleine ungeladene Moleküle können die BHS passieren (Übertritt von der Blutbahn in das Hirngewebe).
Beispiele: O2 und CO2, aber auch Alkohol, Nikotin und andere psychoaktive Substanzen.

 Auch grosse Moleküle können mittels aktivem Transport über die BHS transportiert werden. Typische Beispiele sind: Aminosäuren, Glucose, Fette.

 Grosse und geladene Moleküle können nicht die BHS passieren.

Question 40

Welche Aufgabe hat die Mikroglia?

Answer 40

Mikroglia ist in den Heilungsprozess eingebunden. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, durch Phagozytose (Zellauflösung) Abfallprodukte des Zellstoffwechsels fortzuschaffen.

Question 41

Welche Aufgabe hat die Oligodendroglia und die Schwannschen Zellen?

Answer 41

• Oligodendroglia sind für die Myelinummantelung der Axone im ZNS (=Gehirn und RM) verantwortlich.
• Schwannsche Zellen sind für die Myelinummantelung der Axone im PNS verantwortlich.

Question 42

Wo kommen Schwannsche Zellen bzw. Oligodendrogliazellen vor?

Answer 42

• Oligodendroglia kommt im ZNS vor.

* Schwannsche Zellen kommen im PNS vor.

Question 43

Wie funktioniert prinzipiell die Neuronenreparatur (neural repair)?

Answer 43

Wird ein peripherer Nerv durchtrennt, degeneriert der Axonteil, der noch an den Zellkörper gebunden ist. Mikroglia entsorgen die Reste dieses Axonteils. Die Schwannschen Zellen des abgestorbenen Axon schrumpfen zuerst. Danach teilen sich diese Zellen und bilden viele kleine Gliazellen, die sich entlang des ursprünglichen Axons ausrichten. Auf diese Weise bilden die Schwannschen Zellen praktisch einen markierten Weg (wie eine Kette aus Leuchttürmen) für das neue Axon.
Anschliessend schickt das Neuron Axonkollaterale aus, die diesen Weg suchen. Der Axon- kollateral, der diesen Weg von Leuchtturm zu Leuchtturm findet, wird zum neuen Axon. Um das neue Axon bilden die Schwannschen Zellen einen neuen Myelinmantel.

Question 44

Funktioniert die Neuronenreparatur im ZNS und im peripheren Nervensystem gleich gut?

Answer 44

Nein, die Neuronenreparatur funktioniert nur im PNS, aber nicht im ZNS. Daher gibt es bis heute keine bahnbrechende Therapie bei Querschnittlähmung.

Question 45

Warum funktioniert die „Neuronenreparatur“ nur in der Peripherie?

Answer 45

1) Astroglia bilden eine Narbe, um eine beschädigte Region im ZNS abzusperren. Jedoch bilden sie dadurch auch eine Barriere für wiederwachsende Axone.
2) Oligodendroglia können sich nicht teilen und den wachsenden Axonen den Weg weisen, wie es Schwannsche Zellen tun können. Der Grund dafür ist, dass in der Oligodendroglia ein Antiwachstungsagent (NOGO) abgestossen wird. Dieser Mechanismus ist vermutlich sinnvoll, um ein zufälliges Wachstum von Axonen zu verhindern.