Tierphysiologie Flashcards
Was versteht man unter der Neutronendoktrin?
-postuliert von Cajal (Nobelpreis zsm mit Golgi 1906)
-das Gehirn besteht aus diskreten Recheneinheiten (einzeln autonom, physisch getrennt), die untereinander über chemische Synapsen in Verbindung stehen (und wie später auch bestätigt über elektrische Synapsen)
-sie steht Golgis Reticulartheorie entgegen, die das Gehirn als ganzheitliches Syncytium betrachtet, welches ausschließlich über elektrische Verarbeitung kommuniziert
-maßgeblich für die Formulierung der Neuronendoktrin war der Befund der Golgi-Färbung von neuronalem Gewebe
-bei dieser Silbernitratfärbung werden 1-2% der Zellen angefärbt, diese jedoch vollständig—> zeigt erstmals die Architektur des Nervensystems
Benennen sie die Bestandteile des Zytoskeletts und ihre ihre jeweilige Funktion in der Nervenzelle
-Mikrotubuli (Röhre aus Tubulin, 24 nm Durchmesser)
—>Stützfunktion und Vesikeltransport (assoziiert mit Kinesin und Dynein)
-Mikrofilamente (gewundener Doppelstrang aus Actin, 7 nm Durchmesser)
—>Beweglichkeit
-Intermediärfilamente= Neurofilamente (heterogenaus 5 Proteintypen, 10nm Durchmesser)
—>Stützfunktion
Erläutern Sie Typen und Funktionen der Gliazellen
Allgemein:
-Gliazellen sind das “Bindegewebe” der Nervenzellen (Stützfunktion)
-sind lebenslang teilungsfähig—> Reperatur/Regeneration von beschädigten Neuronen
-beteiligt auch Entwicklung ausgewachsener Neurone
-versorgen Neuronen mit Nährstoffen aus dem Blut (da diese keinen Kontakt dazu haben dürfen —>Blut-Hirn-Schranke)—> Neuronen also ohne Gliazellen nicht überlebensfähig
-elektrische Isolation durch Myelinisierung (abgeflachte Zellauswüchse der Gliazellen wickeln sich mehrfach um die Axone
-die Mherzahl der Gehirntumore gehen 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)
-schnellerTransport (>200mm/d) von Transmittern, Neuropeptiden und Wachstumnsfaktoren
-langsamer Transport (<10mm/d) von Zytoskelett- Membranbausteinen (Tubulin, Aktin, Neurofilamentproteine, Enzyme u.a.)
Retrograd:
-von Synapse zum Soma
-durch Dynein, prozessiver Transport großer Multivesikularkörper
-schneller Transport (>200 mm/d)
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 Ruhepotenzials 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 (<50 mikrom) muss die Nervenzelle daher von diesem abgeschirmt sein und trotzdemmit den nötigen Nährstoffen, Sauerstoff etc. versorgt werden
-die Gehirnkapillaren weisen im Endothel tight juctions auf, die 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 Ruhepotenzials 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
Erläutern Sie die Funktion und Eigenschaften der Na-K-Pumpe
-arbeitet gegen den Konzentrationsgradienten und das elektrische Potential—>unter ATP-Verbrauch
-es werden 3 Natrium von intrazellulär aufgenommen, nach Phosphorylierung eines Aspartats durch ATP erfolgt eine Konformationsänderung, welche das Natrium nach extrazellulär verlässt
-2 Kalium von extrazellulär werden aufgenommen und nach Konformationsänderung durch Dephosphorylierung nach intrazellulär abgegeben
-ist somit an der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials beteiligt
Die Nernst-Gleichung gibt nicht das Ruhepotential einer Nervenzelle an. Was wird damit berechnet? Wie kann die Gleichung trotzdem genutzt 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 Nernst-Gleichung 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
-am Beispiel eines einfach geladenen Kations mit intrazellulär 100mmol und extrazellulär 10mmol
(formel)
-das Aktionspotentia beruht sich auf der unterschiedlichen intra- und extrazellulären Verteilung der Ionenkonzentrationen für Kalium, Natrium, Chlorid und geladenen organischen Substanzen (Aminosäuren, Proteinen,…)
-die Veränderung der Permeabilität 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 (Tabelle bei Fotos)
Welche Unterschiede bestehen zwischen Ionenkanälen und Ionenpumpen?
Ionenkanäle:
-entlang elektrochemischen Gradienten
-passiver Transport durch wässrige Poren, die durch Transmembrandomänen gebildet wird
-können durch Konformationsänderungen (Ligandengesteuert, spannungsabhängig, mechanisch-, licht- oder temperaturgesteuert) öffnen bzw schließen oder durch ball-and-chain-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-Verbrauchoder Absorption von Licht—> Konformationsänderungen durch Phosphorylierung oder lichtinduzierte elektronische Anregung
-Selektivität durch genaue Passform und Bindung des Substrats
Wie entsteht 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 geladenenr 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 Übergangsfrequenz
-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 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 vom 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 hängen die Längskonstante ab?
-vom Querwiderstand= Membranwiderstand (Permeabilität) –> optimierbar durch Isolation mittels Myelinisierung und Reduktion der Ionenanzahl
-vom Längenwiderstand (entsprechend des Durchmessers) –> optimierbar mittels Durchmessererhöhung (Riesenaxone)
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 Übertragungsfrequenz diskreter Signale da sich sonst ab einer bestimmten Frequenz mehrere Einzelsignale postsynaptisch aufsummieren (da ggf noch keine vollständige Repolarisation erfolgt ist)
-relevant vorallendings bei der Übertragung von Signalen an Synapse zwischen zwei Nervenzellen
Räumliche Summation:
-in Abhängigkeit der Längskonstante und der Lokalisation mehrerer Synapsen am Dendritenbaum
-mehrere synaptische 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 1-2 ms an Neuronen
-das Aktionspotential beruht sich auf der unterschiedlichen intra- und extrazellulären Verteilung der Ionenkonzentrationen für Kalium, Natrium, Chlorid und geladenen organischen Substanzen (Aminosäuren, Proteine,…)
-während des Ruhepotentials besteht eine hohe Permeabilität für Kalium (Gleichgewichtspotential -104 mV)–> 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
-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 Übertrahung 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 (auch Zeichnung lernen)
-während des Ruhepotentials besteht eine hohe Permeabilität für Kalium (Gleichgewichtspotential -104mV)–> der Kaliumausstrom bewirkt in der 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 schwacher aus
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
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
-realtiv 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–> Kaliumausstrom
-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
