Hennig Flashcards
Was versteht man unter der Neuronendoktrin?
▪ Gehirn besteht aus neuronalen Einheiten, diskreten Einheiten/Zellen und nicht aus
einem Monocytium
▪ Das Gehirn ist ein Organ – ein ganzheitliches Syncytium
Benennen Sie die Bestandteile des Zytoskeletts und ihre jeweilige Funktion in der Nervenzelle!
– Mirkotubuli (Röhre aus Tubulin, 24nm Durchmesser)– Stützfunktion und Vesikeltransport (assoziiert mit Kinesin und Dynein)
– Mikrofilamente (gewundener Doppelstrang aus Actin, 7nm Durchmesser))– Beweglichkeit
– Intermediärfilamente = Neurofilamete (heterogen aus 5 Proteintypen, 10nm Durchmesser)– Stützfunktion
Erläutern Sie die Typen und Funktionen der Gliazellen!
– Allgemein:
– Gliazellen sind das „Bindegewebe“ der Nervenzellen (Stützfunktion)
– sind lebenslang teilungsfähig → Reparatur/Regeneration von beschädigten Neuronen
– beteiligt auch Entwicklung auswachsender Neurone
– versorgen Neuronen mit Nährstoffen aus dem Blut (da diese keinen Kontakt dazu haben
dürfen → Blut-Hirn-Schranke) → Neurone also ohne Gliazellen nicht überlebensfähig
– elektrische Isolation durch Myelinisierung (abgeflachte Zellauswüchse der Gliazellen wickeln
sich mehrfach um die Axone)
– leider gehen auch die Mehrzahl der Gehirntumore von Gliazellen aus
– Astroglia → häufigste Gliazelle, bildet die Blut-Hirn-Schranke, Homoiostase, Stoffaustausch,
Ernährung (pH, Ionen, Transmitter)
– Microglia → Phagozytose (beseitigen Abfallprodukte / geschädigte Zellen)
– Oligodendroglia → bilden die Myelinscheide mehrerer zentraler Axone
– Schwannsche Zellen → bilden die Myelinscheiden einzelner peripherer Axone
Welche Unterschiede gibt es zwischen anterogradem und retrogradem axonalem Vesikeltransport?
– anterograd:
– von Soma zur Synapse
– durch Kinesin, Vesikel von einem Kinesin zum nächsten weitergereicht (konzerziert)
– schneller Transport (>200mm/d) von Transmittern, Neuropeptiden und Wachstumsfaktoren
– langsamer Transport (<10mm/d) von Zytoskelett- und Membranbausteneinen (Tubulin, Aktin,
Neurofilamentproteine, Enzyme u.a.)
– retrograd:
– von Synapse zum Soma
– durch Dynein, prozessiver Transport großer Multivesikularkörper
– schneller Transport (>200mm/d) von Abbauprodukten
Welche der folgenden Aussagen treffen für den anterograden Vesikeltransport in einer Nervenzelle zu?
- Die Vesikel werden von der Synapse zum Soma transportiert → falsch, das wäre retrograd
- Kinesin bildet den molekularen Motor → richtig
- Die Transportgeschwindigkeit kein 200mm/d und mehr betragen → richtig
- Mikrofilamente bilden die Leitschienen für den Transport → falsch, Mikrotubuli
- Es werden nur Transmitter und Neuropeptide transportiert → falsch, auch Wachstumsfaktoren,
Zytoskelett- und Membranbausteine
Welche Aufgabe hat die Blut-Hirn-Schranke und durch welche Barriere wird sie gebildet?
– für die Bildung des Ruhepotentials in den Neuronen sind konstante Umgebungsverhältnisse nötig
– die wechselnde Konzentration von Proteinen, Ionen u.a. im Blut würde den Prozess stören
– trotz großer Proximität zum Blutsystem (<50μm) muss die Nervenzelle daher von diesem
abgeschirmt sein und trotzdem mit den nötigen Nährstoffen, Sauerstoff etc. versorgt werden
– die Gehirnkapillaren weisen im Endothel tight-junctions auf, die ein unwillkürliches Permeieren
verhindern
– auf etwa 20% der Endothelien liegen Perizyten auf, die regulatorische Funktionen aufweisen
– zusätzlich findet eine Abschirmung durch die Fortsätze der Astroglia statt
– nur über selektiven Transport werden die benötigten Substanzen von den Endothelzellen an die
Astroglia weitergereicht
– die Nervenzellen werden dann ausschließlich vom sehr konstanten Milieu der
Cerebrospinalflüssigkeit (Liquor) umspült
– das Nervensystem ist hierdurch auch vor dem Eindringen vieler Krankheitserreger geschützt
– auch viele Medikamente können die Blut-Hirn-Schranke nicht permeieren (selbst wenn dies
erwünscht wäre), kleine fettlösliche Stoffe wie Alkohol, Nikotin und Blutgase jedoch schon
Welche Faktoren sind für das Zustandekommen des Ruhepotentials einer Nervenzelle verantwortlich?
– die Semipermeabilität der Membran mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten für Ionen (hoch für
Kalium, gering für andere Ionen)
– die unterschiedliche Verteilung der Ionenkonzentrationen für Kalium, Natrium, Chlorid und
geladenen organischen Substanzen (Aminosäuren, Proteinen…)
– Aufrechterhaltung des Gradienten durch die elektrogene Natrium-Kalium-Pumpe
Die Nernst-Gleichung gibt nicht das Ruhepotential einer Nervenzelle an! Was wird damit berechnet? Wie
kann die Gleichung trotzdem benutzt werden, um das Ruhepotential und das Aktionspotential zu
beschreiben?
– die Nernst-Gleichung gibt das Gleichgewichtspotential für eine Ionensorte an
– unter Berücksichtigung aller am Ruhe- und Aktionspotential beteiligter Ionensorten und ihrer
spezifischen Permeabilität lässt sich die Nerstgleichung in die GHK-Gleichung überführen:
– das Ruhepotential zeichnet sich hierbei durch eine hohe Permeabilität für Kalium bei geringerer
Permeabilität für Natrium und Chlorid
– während des Aktionspotentials ändern sich die Permeabilitäten zugunsten von Natrium, was zur
Depolarisation führt
Welche Potentiale werden durch die Nernst-Gleichung beschrieben? Geben Sie ein Beispiel und
erläutern Sie das Aktionspotential mithilfe dieser Potentiale!
– die Nernst-Gleichung gibt das Gleichgewichtspotential für eine Ionensorte an
– das Aktionspotential beruht sich auf der unterschiedlichen intra- und extrazellulären Verteilung
der Ionenkonzentrationen für Kalium, Natrium, Chlorid und geladenen organischen Substanzen
(Aminosäuren, Proteinen…)
– die Veränderung der Permeabilitäten für diese Ionensorten bewirkt das Aktionspotential
– die hohe Permeabilität für Kalium (Gleichgewichtspotential am Neuron -104mV) bestimmt das
Ruhepotential (-73mV) → Kaliumausstrom
– während des Aktionspotentials ändern sich die Permeabilitäten zugunsten von Natrium
(Gleichgewichtspotential am Neuron +67mV) → Natriumeinstrom führt zur Depolarisation
(+30mV)
Beschreiben Sie die Ionenverhältnisse im intra- und extrazellulären Raum einer Nervenzelle, die für die
Bildung des Ruhepotentials von Bedeutung sind!
– die unterschiedliche Verteilung der Ionenkonzentrationen für Kalium, Natrium, Chlorid und
geladenen organischen Substanzen (Aminosäuren, Proteinen…) sind für das Ruhepotential von
Bedeutung
Ion innen außen
Kalium
Natrium
Chlorid
Welche Unterschiede bestehen zwischen Ionenkanälen und Ionenpumpen?
- Ionenkanäle*
– entlang elektrochemischem Gradienten
– passiver Transport durch wässrige Pore, die durch Transmembrandomänen gebildet wird
– können durch Konformationsänderungen (Ligandengesteuert, spannungsabhängig,
mechanisch-, licht- oder temperaturgesteuert) öffen bzw. schließen oder durch ball-andchain-
Mechanismus deaktivieren
– Selektivität durch Porengröße, Ladung und/oder Interaktion mit Hydrathülle
– es existieren auch unspezifische Kanäle
Ionenpumpen
– entgegen elektrochemischem Gradienten
– primär aktiver Transport unter ATP-Verbrauch oder Absorption von Licht→
Konformationsänderungen durch Phosporylierung oder lichtinduzierte elektronische Anregung
– Selektivität durch genaue Passform und Bindung des Substrats
Wie entsteht die Selektivität von Ionenkanälen für An- oder Kationen?
– Porengröße durch Anordnung der Transmembranproteine
– spezifische Interaktion mit der Hydrathülle z.B. von Carboxylatgruppen der beteiligten
Aminosäuren → Ladung
Welche Größen müssen bekannt sein, um das Ruhepotential einer Nervenzelle in guter Näherung zu
berechnen?
– die Innen- und Aussenkonzentration von Kalium-, Natrium- und Chloridionen sowie geladener
organischer Moleküle (Aminosäuren, Proteine…)
– die Permeabilitäten der Membran für diese Stoffe
– Temperatur, Gaskonstante, Faraday-Konstante
Die Zeitkonstanten einer Nervenzelle wirken sich auf die zeitliche Summation im Dendriten aus.
Erläutern Sie diesen Zusammenhang an 2 Neuronen mit gleichem präsynaptischem Eingang aber
unterschiedlichen Zeitkonstanten!
– Je größer die Zeitkonstante (entsprechend Widerstand und Kapazität), desto länger zieht sich
der Verlauf eines einzelnen Aktionspotentials → limitierend für die Übetragungsfrequenz
– bei großer Zeitkonstante summieren sich hochfrequente präsynaptische Potentiale
postsynaptisch auf → sind nicht mehr als diskrete Potentiale kenntlich, da noch keine
vollständige Repolarisation erfolgt ist, jedoch wird die absolute Signalstärke erhöht
– bei kleiner Zeitkonstante hingegen sind die Potentiale postsynaptisch weiterhin als diskret und
mit üblicher Signalstärke erkennbar → deutlicher Vorteil für die digitale Datenverarbeitung
τ=R⋅C
Was versteht man unter der Zeit- und Längskonstante?
– die Zeitkonstante beschreibt die zeitliche Änderung des Membranpotentials bei einem Stromfluss
über die Membran → gibt die Zeit an bis zum Erreichen von 63% des Endwertes der Spannung
und wird bestimmt von Widerstand und Kapazität
– die Längskonstante beschreibt den Abfall des Membranpotentials in Abhängigkeit von der
Ausbreitungsentfernung → gibt an, bei welcher Distanz noch 37% der Spannung ankommt und
wird bestimmt durch Längs- und Querwiderstand
Von welchen Größen hängt die Längskonstante an?
Was versteht man unter zeitlicher und räumlicher Summation in einer Nervenzelle? Von welchen Größen
hängen diese beiden Formen der Summation jeweils ab und in welchem Bereich einer Nervenzelle sind
sie von besonderer Bedeutung?
– Zeitliche Summation:
– Je größer die Zeitkonstante (entsprechend Widerstand und Kapazität), desto länger zieht sich
der Verlauf eines einzelnen Aktionspotentials
– limitierend für die Übetragungsfrequenz diskreter Signale da sich sonst ab einer bestimmten
Frequenz mehrere Einzelsignale postsynaptisch aufsummieren (da ggf noch keine
vollständige Repolarisation erfolgt ist)
– relevant vor allem bei der Übertragung von Signalen an Synapse zwischen zwei Nervenzellen
– Räumliche Summation:
– in Abhängigkeit der Längskonstante und der Lokalisation mehrerer Synapsen am
Dendritenbaum
– mehrere präsynaptische Signale können sich auf ihrem Weg durch den Dendritenbaum bis
zum Axon zu einem stärkeren postsynaptischen Signal aufsummieren
– dies kann unter Umständen für eine Signalweiterleitung auf das nächste Neuron nötig sein,
da ein Aktionspotential nur beim Überschreiten eines bestimmten Schwellenwertes ausgelöst
werden kann
Erläutern Sie den Verlauf eines Aktionspotentials mit Hilfe der Gleichgewichtspotentiale für Natrium und
Kalium.
– Dauer etwa 1-2ms an Neuronen
– das Aktionspotential beruht sich auf der unterschiedlichen intra- und extrazellulären Verteilung
der Ionenkonzentrationen für Kalium, Natrium, Chlorid und geladenen organischen Substanzen
(Aminosäuren, Proteinen…)
– während des Ruhepotentials besteht eine die hohe Permeabilität für Kalium
(Gleichgewichtspotential -104mV) → der Kaliumausstrom bewirkt in Summe mit den Strömen der
anderen beteilgten Ionen ein Potential von -73mV
– wenn das Potential langsam ansteigt, öffnen ab einer Schwelle von -40mV spannungsabhängige
Natriumkanäle, die durch Natriumeinstrom (Gleichgewichtspotential +67mV) zu einer
Depolarisation von bis zu +30mV führen
– nach kurzer Zeit gehen die Natriumkanäle in einen inaktiven Zustand über → Natriumstrom bricht
ab
– das Öffnen spannungsabhängiger Kaliumkanäle führt durch verstärkten Kaliumausstrom zur
Repolarisation sowie Nachhyperpolarisation
– nach der Refraktärzeit befindet sich das Neuron wieder im Ruhepotential und kann erneut erregt
werden
Welche Möglichkeiten gibt es, um in Neuronen die Fortleitungsgeschwindigkeit von Aktionspotentialen
zu erhöhen?
– Das Erhöhen der Zeitkonstante (durch Veränderung von Widerstand und Kapazität) ist nur
möglich auf Kosten der maximalen Signalfrequenz → daher nur begrenzt praktikabel
– jedoch kann man durch Erhöhen der Längskonstante die überwindbare Distanz eines Potentials
erhöhen, weshalb man während der Übertragung weniger auf die Verstärkung durch chemische
Synapsen angewiesen ist, welche relativ lange Reaktionszeiten aufweisen
– dazu Erhöhen des Membranwiderstandes mittels Myelinisierung
– oder Absenken des Längswiderstandes durch Erhöhen des Axondurchmessers →
Riesenaxon
– eine weitere denkbare Möglichkeit, ein Signal weiter und weniger durch chemische Synapsen
verzögert zu transportieren wäre bei gleicher Längskonstante die räumliche oder zeitliche
Summation der Potentiale
Welche Ionen sind am Aktionspotential beteiligt? Beschreiben Sie diese Ionenströme während der
verschiedenen Phasen des Aktionspotentials! (Zeichnung)
– während des Ruhepotentials besteht eine die
hohe Permeabilität für Kalium
(Gleichgewichtspotential -104mV) → der
Kaliumausstrom bewirkt in Summe mit den
Strömen der anderen beteiligten Ionen ein
Potential von -73mV
– wenn das Potential langsam ansteigt, öffnen ab
einer Schwelle von -40mV spannungsabhängige
Natriumkanäle, die durch Natriumeinstrom
(Gleichgewichtspotential +67mV) zu einer
Depolarisation von bis zu +30mV führen
– nach kurzer Zeit gehen die Natriumkanäle in
einen inaktiven Zustand über → Natriumstrom
bricht ab (danach schließen diese wieder)
– das Öffnen spannungsabhängiger Kaliumkanäle führt durch verstärkten Kaliumausstrom zur
Repolarisation sowie Nachhyperpolarisation
– nach der Refraktärzeit befindet sich das Neuron wieder im Ruhepotential und kann erneut erregt
werden
Was versteht man unter der Refraktärzeit eines Aktionspotentials? Wodurch wird sie bestimmt und
welche Konsequenzen hat sie?
– Zeit nach dem Aktionspotential, in der das Neuron nicht erneut erregbar ist
– sie bestimmt die maximale Erregungsfrequenz sowie Fortleitungsrichtung von Aktionspotentialen
– absolut (0,5ms) begrenzt durch Kinetik der Natriumkanäle → müssen von inaktiv wieder in
geschlossenen Zustand zurückkehren, bevor sie erneut geöffnet werden können
– relativ (0,35ms) bedingt durch Nachhyperpolarisation → in dieser Zeit ist eine Erregung nur
durch ein stärkeres Signal möglich, da die Distanz zum Schwellenwert größer ist; auch die
Depolarisation fällt dann schwächer aus
Wie unterscheidet sich die Kinetik des spannungsabhängigen Na-Kanals von der eines
spannungsabhängigen Kaliumkanals?
– Natriumkanal
– spannungsabhängiges Öffnen durch Lageveränderung des mittleren, positiv geladenen
Segments der Transmembrandomänen bei einer Schwelle von -40mV
– relativ schneller Übergang in einen inaktiven Zustand durch Ball-and-Chain-Mechanismus
terminiert Natriumeinstrom zügig (nur für max. 1ms geöffnet)
– Kanal muss anschließend wieder in den geschlossenen Zustand zurückkehren, aus dem
heraus er wieder aktivierbar ist → bewirkt absolute Refraktärzeit
– Kinetik blockierbar durch TTX
– Kaliumkanal
– spannungsabhängiges Öffnen bei vollständiger Depolarisation → Kaliumaustrom
– langsame Rückkehr direkt in den Schließzustand (für etwa 3,5ms geöffnet) → bewirkt relative
Refraktärzeit
– Kinetik blockierbar mit TEA
– die unterschiedlichen Kinetiken dieser Kanäle modellieren das Aktionspotential
Welche der folgenden Aussagen treffen für das typische Aktionspotential einer Nervenzelle zu
- Die Spitze des Aktionspotentials liegt nahe am Gleichgewichtspotential für Kaliumionen →
falsch, eher am Gleichgewichtspotential für Natrium - Je größer die Längskonstante einer Nervenzelle, desto größer die Ausbreitungsgeschwindigkeit
eines Aktionspotentials → falsch: hat am einzelnen Neuron keinen Einfluss, wohl aber kann bei
höherer Längskonstante die Zahl der chemischen Synapsen reduziert werden, was die gesamte
Signalübertragung im System beschleunigt - Die Geschwindigkeit der Repolarisation hängt von der Na-K-Pumpe ab → falsch, abhängig von
Inaktivierung der Natriumkanäle und passivem Kaliumausstrom - TTX (Tetrodoxin) blockiert den spannungsabhängigen Natriumkanal → richtig
- Die Nernst-Gleichung beschreibt das Ruhepotential vor dem Aktionspotential → falsch,
beschreibt Gleichgewichtspotential für eine Ionensorte
Nennen Sie die wesentlichen Unterschiede zwischen einer elektrischen und einer chemischen Synapse!
– Elektrische Synapse:
– Spaltbreite 2-4nm, zytoplasmatischer Kontakt → geringer elektrischer Widerstand
– Ionenstrom über Gap-Junction
– geringe Verzögerung (0,1ms), nur erregende Wirkung, hohe Verstärkung
– Gleichrichtung möglich
– Chemische Synapse:
– Spaltbreite 10-20nm, kein zytoplasmatischer Kontakt → sehr hoher elektrischer Widerstand
– Transmitterübertragung zwischen präsynaptischem Vesikel und postsynaptischem Rezeptor
– größere Verzögerung (>0,5ms), erregende oder hemmende Wirkung, variable Verstärkung
– immer gleichrichtend
Beschreiben Sie die wesentlichen Ereignisse bei der Signalübertragung an einer chemischen Synapse!
– Aktionspotential erreicht präsynaptische Endigung → spannungsabhängige Kalziumkanäle öffnen
– dadurch Vesikelfusion mit der Membran, vermittelt durch SNARE-Komplex und Synaptotagmin
– Transmitter wird freigesetzt und diffundiert durch synaptischen Spalt
– Transmitter bindet an ligandengesteuerte Kanäle an der postsynaptischen Membran
– diese öffnen und ein Aktionspotential wird ausgelöst oder wird inhibiert
