Physiologie der Erregungsleitung Flashcards
Was untersucht die Physiologie? Erkläre es am Beispiel Katze& Feuer
Die Physiologie untersucht Prozesse und Gesetzmäßigkeiten, durch die Materie
lebensfähig wird. Das setzt das Erkennen von Möglichkeiten und Gefahren voraus, auf die angemessen reagiert werden muss.
Bsp.:
Diese Katze nähert sich neugierig der Kerzenflamme, hält aber inne, bevor es zu
einer Verbrennung kommt.
Gebe eine grobe Erklärung der Reizerkennung inkl. der Fachbegriffe an
Zunächst ganz grob:
Zunächst wird der Reiz erkannt (Rezeption)
Dann wird er in ein Signal umgewandelt, welches weitergeleitet werden kann (Transduktion)
Es folgt die Weiterleitung (Transmission)
Schließlich findet im Gehirn die Wahrnehmung (Perzeption) statt.
Im Detail ist alles komplizierter.
Welchen Hintergrund von Reizrezeption, Transduktion, Transmission & Perzeption gibt es? Was passiert beim einstechen in eine Zelle?
Hintergrund von Reizrezeption, Transduktion, Transmission und Perzeption ist die Ungleichverteilung von Ionen im Intra- und Extrazellulärraum.
In der letzten Stunde hatten Sie gelernt: der Innenraum von Zellen ist gegenüber dem Aussenraum negativ geladen (Membranpotential, Ruhemembranpotential).
Sticht man in die Zelle – oder öffnet einen Ionenkanal mit Einstrom von Natriumionen – kommt es zur Entladung der Zelle (Depolarisation).
Was passiert nach der Entladung der Zelle?
Nach dieser Entladung wird der depolarisierende Reiz weitergeleitet in das zentrale Nervensystem (ZNS) und durch neuronale Verschaltungen so verarbeitet, dass ein geordnetes Bewegungsprogram entsteht. Dieses kann dann z.B. das Zurückziehen des Beines ermöglichen.
Neben einer direkten Verletzung der Nervenzellmembran können jedoch zahlreiche andere Umweltreize durch spezielle Sinneszellen erkannt werden.
Rezeption und Transduktion, was sind die Aufgaben dieser Mechanismen? Setze sie in Zusammenhang mit dem Meer!
Diese Mechanismen, über welche Organismen Umweltreize registrieren können, haben eine lange Entwicklungsgeschichte. Es ist nicht nur interessant, sondern auch für das Verständnis hilfreich, sich
kurz mit dieser Geschichte zu beschäftigen.
Hier dargestellt das Meer, in dem die ersten Einzeller der Weltgeschichte lebten. Diese „Ursuppe“ hatte vermutlich in etwa die Osmolarität und Zusammensetzung unseres Blutplasmas.
Rezeption und Transduktion
Was passiert wenn es zu regnen beginnt mit dem Einzeller?
Nenne 2 wichtige Prozesse die dabei entstehen!
Es kommt zur Katastrophe: es beginnt zu regnen.
Die oberste Gewässerschicht, in welcher der Einzeller sich aufhält, wird verdünnt oder hypoton. Durch Diffusionsprozesse strömt Wasser in das Zytosol, der Einzeller schwillt an und droht zu platzen.
Hier hilft die Expression einer Protein Pore in der Zellmembran, die sich bei mechanischer Dehnung öffnet und Elektrolyte austreten lässt, damit sich die Osmolarität angleichen kann.
Einer der ältesten Ionenkanäle überhaupt ist entstanden: der „Mechanosensitive Channel of Large Conductance“.
Seine Pore ist riesig und führt zum schnellen Ausgleich der Osmolarität.
Leider gehen dabei auch energiereiche Substrate wie z.B. ATP verloren. Besser dran sind Mikroorganismen, die die Fähigkeit entwickelt haben, wegzuschwimmen in Gewässerzonen mit besser ans Zytosol angepasster Osmolarität.
Was ist für eine halbwegs fortlaufende und koordinierte Bewegung nötig?
Hierzu sind zwei Dinge notwendig:
Erstens natürlich ein für die Fortbewegung geeigneter Zilienapparat, auf dessen komplexe Struktur und Funktionsweise hier nicht näher eingegangen werden kann.
Zweitens muss die Pore des mechanosensitiven Kanals so mit negativen Ladungen ausgestattet werden, dass jetzt keine energiereichen Anionen austreten, sondern bei Membrandehnung mit Öffnung der Pore ein Influx von positiv geladenen Ionen (Kationen, insbesondere Natrium und Calcium) stattfindet. Der Einstrom dieser
Kationen folgt dabei sowohl dem elektrischen, als auch dem chemischen Gradienten.
Calcium bewirkt dann eine Konformationsänderung der Zilien („Wimpernschlag“).
Natürlich ist noch einiges andere notwendig damit eine halbwegs fortlaufende und koordinierte Bewegung möglich wird. Der entstandene nichtselektive Kationenkanal jedoch erweist sich als außerordentlich nützlich und darf als Urgroßvater der Sinneszellen
betrachtet werden, welche die Wahrnehmung der Umwelt ermöglichen.
Ist es möglich, dass der Einzeller die Zerstörung anderer Zellen wahrnimmt, wenn ja, wie?
Noch besser ist es natürlich für den Einzeller, wenn er in der Lage ist, die Zerstörung anderer Einzeller in der Umgebung wahrzunehmen und darauf mit einer „Flucht“ zu reagieren.
Das ATP, welches aus überdehnten oder geschädigten Nachbarzellen austritt, dient hier als Botenstoff oder „Transmitter“, welcher die Information über die drohende Gefahr an benachbarte Zellen weiterleitet.
Nach Rezeption des Reizes ist es also zur Umwandlung oder Transduktion der Information gekommen.
Rezeption und Transduktion
Erkläre das Rezeptorpotential
Nach Bindung von ATP an entsprechende Kationenkanäle kommt es zur Öffnung derselben mit Einstrom von Natrium und Calcium und Depolarisation der Zelle. ATP ist in diesem Falle also in der Lage, an
den Rezeptor zu binden und ein „Rezeptorpotential“ auszulösen.
Im vorliegenden Fall handelt es sich bereits um einen recht „modernen“ Nozizeptor – dh. um einen Kanal, der in der Lage ist, Reize zu erkennen, die das Gewebe schädigen können, noch bevor ein echter Schaden entstanden ist. In anderen Worten: ein Schmerzrezeptor.
Kanäle mit der Fähigkeit, ATP zu detektieren („purinerge Kanäle“) sind ubiquitär verbreitet; so auch in Haut und Eingeweiden von Menschen und Tieren.
Dabei kann es durchaus passieren, dass eine Zelle nach Bindung von ATP ihrerseits den Botenstoff ATP ausschüttet.
Funktioniert bei Mehrzellern ein “Davonschwimmen”? Begründe deine Meinung. Gibt es andere Schutzmechanismen?
Beim Mehrzeller ist ein „Davonschwimmen“ der Zellen in der Region um eine Gewebsschädigung natürlich nicht möglich.
Stattdessen erfolgt nach neuronaler Weiterleitung an die motorischen Zentren die Auslösung eines Reflexes, welcher das Wegziehen des Beines bewirkt.
Was für Rezeptoren neben denen für ATP gibt es noch? Was ist ihre Funktion?
Neben Rezeptoren für ATP gibt es zahlreiche weitere Rezeptoren, mittels derer potentiell gewebschädigende Reize erkannt werden.
Neben Säuren werden so Wärme, Hitze oder Kälte gemeldet, noch bevor ein wirklicher Schaden eingetreten sind. Solche „Nozizeptoren“ sitzen meist einfach auf freien Nervenendigungen in der Haut oder im Gewebe.
Daneben gibt es aber auch hochspezialisierte Rezeptoren, die leichten Druck oder Vibration oder einen leichten Luftzug, der ein Haar streift, detektieren.
Erkläre: Geschmacksknospe: Transduktion von chemischen Reizen
Auf der Zunge führen verschiedene Geschmacksstoffe zur Aktivierung von Rezeptoren und Kanälen auf der Geschmacksknospe.
Es folgt ein Einstrom von Natrium, Depolarisation der Zellen in der Geschmacksknospe, und Ausschüttung von Glutamat als „Transmitter“, der jetzt eine benachbarte Nervenzelle erregt und zur Weiterleitung
des Reizes führt.
Der spezifische Struktur des Moleküls führt hier zur selektiven Bindung an bestimmte Rezeptoren. Die Ausschüttung des Transmitters aus der Geschmacksknospe erregt dann die mit der Knospe verbundenen Nervenzellen und es wird gemeldet, ob etwas energiereich süßes aufgenommen wurde oder ein möglicherweise giftiger Bitterstoff.
Photorezeptor: Detektion von Licht
Sehr viel komplexer sind die Vorgänge am Auge, wo das Licht über verschiedene Zwischenschritte zur Ausschüttung eines Botenstoffes aus dem Photorezeptor der Retina führt.
Das Signal wird auf jeder Stufe der Signalkaskade verstärkt. Darum ist das Auge in der Lage, winzigste Lichtmengen und sogar einzelne Photonen wahrzunehmen.
Das Membranpotential des Axons
De viribus electricalis in motu musculari
Aber wie erfolgt die Weiterleitung dieser Reize (Licht usw.) ins Gehirn? Und wie werden umgekehrt Befehle aus dem Gehirn in Bewegungen der Muskulatur umgewandelt?
Die Beantwortung dieser Frage kann als eine der bahnbrechendsten Entdeckungen
der Menschheit bezeichnet werden.
Es ist das Jahr 1792. In Paris tobt die französische Revolution.
In Como (Italien) findet in der Stille eines Labors eine wesentlich grundlegendere Revolution statt, die alles, was man bisher unter „beseeltem Leben“ verstanden hat, über den Haufen werfen wird: die Erforschung der „elektrischen Kräfte“ in der Bewegung der Muskulatur.
Luigi Galvani entdeckte, dass es möglich ist, einen
isolierten Froschmuskel zur Kontraktion zu bringen,
wenn man an die zuführenden Nervenfasern eine Spannung legt. Er stellte auch fest, dass den Rückenmark selber eine Spannung innewohnt, die
über einen metallischen Leiter in den Muskel
überführt werden kann.
Beschreibe den nächsten großen Durchbruch zum Membranpotential des Axons, sowie die Reaktion auf Depolarisation
Der nächste große Durchbruch erfolgte erst 150 Jahr später.
Bei diesem Versuch wurde einen Draht in eine große Nervenzelle (vom Riesentintenfisch) geschoben. Die Nervenzelle befand sich in einer Badlösung, die
ungefähr so zusammengesetzt war wie das Blutserum.
Man misst dann typischerweise ein negatives Membranpotential, entsprechend einem Ausstrom von Kalium. Jetzt kann man an den Draht eine Spannungsquelle (z.B. Batterie mit Schalter) anschließen, und einen kleinen Spannungspuls
applizieren. Man beobachtet dann natürlich sofort eine kleine Veränderung des Membranpotentials. Aber mit geringer Verzögerung entsteht eine weitere, viel
stärkere Potentialschwankung über der Zellmembran (rote Kurve).
Diese Potentialschwankung („Aktionspotential“) verschwindet, wenn man im Bad alle Natriumionen entfernt (grüne Kurve). Bei einem weiteren Spannungspuls durch die Batterie sieht man dann nur die kleine passive Schwankung des Potentials. Fügt
man dem Bad wieder Natrium hinzu, kann wieder ein Aktionspotential beobachtet werden.
