Nervenzellen

1. Nervenzellen Vorlesung Biologische PsychologieC. Kaernbach Literatur: Schandry, Kapitel 3-5 Vertiefung: Kandel, Schwartz, Jessell: Principles of Neural Sciences Wikipedia: empfohlen bzw. bei weiterführendem Interesse

2. Aufbau einer Zelle • Zellmembran: Doppellipidschicht • Prokaryoten (gr. pro „vor“, karion „Kern“) • kein Zellkern, DNA schwimmt frei im Zytoplasma • Archaeen („Urbakterien“), oft extremophil, nicht pathogen • Bakterien • Unterschiede in den Ribosomen • Eukaryoten (gr. eu „gut“, „echt“) • ZellkernDoppelmembran: • Mitochondrienzwei Doppellipidschichten • weitere „Organellen“ (membranumgeben)

3. Zellkern • Doppelmembran (Kernhülle) • äußere Membran: Ribosomen • geht über in das (raue) endoplasmatische Retikulum (ER) • innere Membran: „Formfaktor“ • dazwischen: perinukleärer Raum • in Verbindung mit Lumen des ER • ca. 2000 Kernporen • 8 Speichen, in der Mitte ein Plug • Transfer von rRNA, mRNA, ... • Kernkörperchen, Nucleoli • „Ribosomenfabrik“ • ChromosomenMitoseMeioseZellzyklus

4. Mitochondrien • „Kraftwerke“ der Zelle • Aufbau: Doppelmembran • innere Membran umschließt „Matrix“ • in der Matrix: Citratzyklus, vor allem Fettsäureabbau • auf innerer Membran: Atmungskette, Erzeugung von ATP • Zwischenmembranraum: Nukleotidphosphorylierung • Proteinkomplexe (Porin) als Poren • Ursprung: Endosymbiose mit Bakterien ähnlich Rickettsien (Fleckfieber) • innere Membran atypisch (Cardiolipin), Hülle vom Symbiont • eigene DNA (unvollständig), eigene Ribosomen, Sprossung • Vererbung ausschließlich über Zytoplasma der Mutter • bis auf eventuelle Mutationen ein Klon • Mitrochondriopathien

5. andere Organellen • Golgi-Apparat • Stapel membranbegrenzterHohlräume • Weiterverarbeitung von Proteinen, Zuckern, Lipiden:Sekretbildung, Hormone, Membranproteine & -lipide, • Lysosomen • vom Golgi-Apparat gebildet,enthalten Enzyme zur Verdauung von Fremdstoffen • andere Vesikel, z.B. mit Neurotransmittern

6. Endoplasmatisches Retikulum • dynamisch sich veränderndes Labyrinth aus Zellmembran (Doppellipidschicht),ER-Lumen steht mit perinukleärem Raum in Verbindung • raues ER: mit Ribosomen besetzt, Proteinsynthese, Membransynthese • glattes ER: u. a. Synthese von Lipidenund Hormonen • Lumen: Calcium-Speicher (103mol/l, Cytosol: 107mol/l), wichtig für Signaltransduktion

7. Signaltransduktion • Reaktion auf (aus Sicht der Zelle) äußere Reize: • Licht, mechanische Reizung (Hören), Geruch • Blutdruck, Hormone, Neurotransmitter • Immunreaktion, Muskelkontraktion, Morphogenese • Rezeptoren: Proteine • im Cytosol: für kleine oder lipophile Moleküle • membranständig: 4 oder 7 Transmembranproteine • Ionenkanäle: Membranpermeabilität ändert sich • „G-Protein-gekoppelt“: GTP-bindendes Protein zerfällt... • Reiz: Ligand (dringt nicht ein), Spannung, Photon, ... • Second Messenger (z.B. Ca2+), Signalkaskade

8. Zytoskelett • definiert Form der Zelle,ermöglich Motilität • Aktinfilamente • äußere Form, Motilität • Mikrotubuli • Tubulinpolymer • Hohlzylinder 25 nm • innere Stabilität, Motilität • innerzellulärer Transport von Vesikeln etc. entlang der Mikrotubuli • Intermediärfilamente • sehr stabil, Stützgerüst Endothelzellen. Blau: Zellkerne. Grün: Mikrotubuli. Rot: Aktinfilamente

9. Nervenzelle • Auf Erregungsleitung spezialisierte Zelle • Soma: Synthese von Proteinen und Lipiden • Axon, entspringt am Axonhügel • oft myelinisiert • Schwannsche Zelle (Glia): Myelinscheide (Isolierung) • alle 1-2 mm Ranvierscher Schnürring: saltatorische Erregung • Leitungsgeschwindigkeit  Faktor 10, bis zu 120 m/s • Mikrotubuli („Neurotubuli“) sichern Transport • z.B. Vesikel mit Neurotransmitter, Rücktransport • am Ende Verzweigungen, Synapsen • Dendriten • kürzer, stärker verzweigt, Dendritic Spines

10. Neuronentypen • Klassifikationen nach • äußerer Form • Pyramidenzellen, Sternzellen, ... • Neurotransmitter • cholinerg, adrenerg, gabaerg, ... • Richtung • afferent, efferent • Funktion • sensorisch, motorisch, Interneuron

11. Gliazellen • 10-50 mal häufiger als Neurone, kleiner • 50% der Gehirnmasse • behalten (anders als Nervenzellen) nach Entwicklung des Nervensystems Fähigkeit zur Zellteilung • Stützfunktion, Führungselemente beim Wachstum • Ionenmilieu um Neurone herstellen • Astrozyten: Blut-Hirn-Schranke • Endo-/Exozytose von Glutamat beeinflußt Neurone • Oligodrendrozyten: Myelinscheiden • Mikroglia: Abwehr- und Immunfunktion

12. Myelinscheiden • Peripherie: Schwann-Zellen • jeweils nur eine Myelinscheide pro Zelle • Stützfunktion (ohne Scheide) auch für mehrere Zellen • ZNS: Oligodrendrozyten • weiße Substanz • Demyelinisierungserkrankung • Multiple Sklerose

13. ? Diffusion durch Membranen • Flüssigkeiten: Osmose • Wasserpotential • Gase: Partialdruck • unterschiedliche Substanzgemische auf zwei Seiten einer Membran • Selektivpermeabilität • Durchmischung durch thermische Bewegung • angestrebt: Gleichheit der Osmolarität • wichtig: Teilchenzahl, nicht Teilchenart, -größe, -masse, ... • Gleichgewicht: Summe der osmotischen Drücke = hydrostatischer Druck selektivpermeable Membran

14. Spezialfall Ionen • Biomembranen für Ionen impermeabel • für Protein-Ionen() impermeabel • aber: spezifische Ionenkanäle für Na+, K+, Ca2+, Cl • aktiviert durch Spannungen, Ionen, Proteine, mechanisch,aber auch in Ruhe • Beispiel passiver Kaliumkanal • K+ verliert an der einen Seite der Pore seine Hydrathülle, C=O Gruppen übernehmen innen H-Brückenauf der anderen Seite der Pore wieder hydriert • in Ruhe vor allem Kaliumkanal aktiv • aktiver Transport: K+ rein, Na+ raus • elektrische vs. osmotische Kräfte

15. Bilanz:außen positiv innen negativ Aktiver Transport • Natrium-Kalium-Pumpe (auch: Na+/K+-ATPase) • Na+- & K+-Transport gekoppelt & energieabhängig: • 3 Na+ werden aus der Zelle hinaustransportiert • 2 K+ werden in die Zelle hineintransportiert • 1 ATP wird „verbraucht“: Phosphorylierung eines Aspartat-Restes führt zur Konfigurationsänderung • Diffusion: Na+ will rein (kann nicht), K+ will raus (ok) • K+strömt aus, bis elektrisches Potential dem entgegenwirkt

16. Membranpotential • existiert in allen Zellen (Steuerung von Ionenströmen) • für elektrisch erregbare Zellen: Ruhemembranpotential • Natrium-Kalium-Pumpe • 3 Na+ aus der Zelle , 2 K+ in die Zelle, K+-Ionen diffundieren teilweise wieder raus ⇨ negatives Potential • Nernst-Gleichung für Ionen E = (RT/zF) ln(c1/c2)  60 mV/z log10(c1/c2) • T: Temperatur, R: Gaskonstante, F: Faradaykonstantez: Wertigkeit des Ions, c1, c2: Konzentrationen • ergibt Potentialdifferenz pro Ionenart: diejenige Spannung, bei der keine Ionenwanderung stattfände • Membranpotential dominiert von K+-Ionen

17. Membranpotential • Membranpotential dominiert von K+-Ionen • Natriumleckströme reduzieren das Membranpotential • Permeabilität für Na+ zwar gering, aber Membranpotential weit von Na+-Gleichgewichtspotential

18. Lokale Änderung desMembranpotentials • Änderung an einer Stelle, z. B.: • Na+-Kanäle gehen auf • Na+ strömt ein • Potential wird positiver • „depolarisiert“ • weitere K+-Kanäle gehen auf • K+ strömt aus • Potential wird negativer • „hyperpolarisiert“ • Erregungsleitung • Elektrotonische Ausbreitung ⇨ • fast instantan, aber verlustreich, • Reichweite max. 0,1 mm • Aktionspotentiale...

19. Aktionspotentialbei elektrisch erregbaren Zellen • Negative Stimulation (Hyperpolarisation) • elektrotonische Leitung • Positive Stimulation(Depolarisation) • bis zu einer Schwelle elektrotonische Leitung • jenseits der Schwelle Aktionspotentiale gleicher Größe • Alles oder Nichts

20. Aktionspotentialbei elektrisch erregbaren Zellen • ab -40 mV öffnen spannungsabhängige Natriumkanäle • Depolarisation („Aufstrich“),Overshoot • nach ca. 1 ms wieder inaktiv • ebenfalls ab -40 mV öffnen spannungsabhängige Kaliumkanäle • langsamer • Repolarisation,Hyperpolarisation • und nachher? alles wieder in Ordnung?

21. Kontinuierliche Erregungsleitung • Marklose Nervenfasern (nicht myelinisiert) • Aktionspotential an einer Stelle der Faser bewirkt per elektrotonischer Leitung Depolarisation in benachbarten Abschnitten über den Schwellwert • Übertragungsgeschwindigkeit langsam • 1-3 m/s, max. 30 m/s • steigt in etwa linear mit Durchmesser der Faser • ANS, Nozizeptoren • Schauer über den Rücken • erst Nacken, dann Rücken/Arme, dann Beine:spürbares Erlebnis der langsamen Weiterleitung im ANS

22. Saltatorische Erregungsleitung • Markhaltige Nervenfaser (myelinisiert) • Markscheide aus Myelinisoliert die Zelle • verbessert elektrotonischeLeitung: 0,1mm ⇨ 5 mm • alle 1-2 mm:Ranvierscher Schnürring • Aktionspotential erreicht amnächsten Schnürring Schwelle • 100-180 m/s • nicht pränatal

23. Fragen • Kann eine Erregung (bei elektrotonischer oder saltatorischer Weiterleitung) rückwärts laufen? • Wie lange dauert ein Aktionspotential? • Wie lang ist die gleichzeitig von einem Aktionspotential betroffene Strecke bei einer Weiterleitungsgeschwindigkeit von • kontinuierlicher Weiterleitung = 1 m/s? • saltatorischer Weiterleitung = 100 m/s? • Wie viele Schnürringe betrifft das?

24. Frequenzkodierung

25. Axonhügel • Ursprungsstelle des Axons am Soma • Einsetzen spannungsabhängiger Na+-Kanäle • noch nicht von Myelin umhüllt

26. Klassifikation von Nervenfasern • nach Durchmesser und Nervenleitgeschwindigkeit • nach Erlanger / Gasser (1937) • A 10-20 µm 60-120 m/s L/H: I • A 7-15 µm 40-90 m/s L/H: II • A 4-8 µm 30-50 m/s • A 2-5 µm 10-30 m/s L/H: III • B 1-3 µm 5-20 m/s • C 0,5-1,5 µm 0,5-2 m/s (marklos) L/H: IV • nach Lloyd / Hunt (1943) • I 12-20 µm 70-120 m/s • II 7-12 µm 40-70 m/s • III 2-7 µm 10-40 m/s • IV 0,5-1,5 µm 0,5-2 m/s (marklos)

27. Spontanaktivität • Fast alle elektrisch erregbaren Zellen (also solche mit spannungsabhängigen Na+-Kanälen)weisen Spontanaktivität auf. • Inhibitorische Einflüsse vorgeschalteter Zellen können Spontanaktivität unterdrücken • ermöglicht bipolare Kodierung • Beispiel: Vasokonstriktor-Neurone • Gegenbeispiel: Piloerector-Neurone • Sonderfall: Sinusknoten im Herzen • Schrittmacherneuron

28. „Elektrische“ Synapsen • Annäherung der Zellmembranen auf 2-4 nm • Gap junctions • Kennzeichen von Gewebetieren (Eumetazoa) • aufeinander gerichtete Membranporen • zwei Connexone aus je 6 Connexinen • zum Nährstoffstransport in wenig durchbluteten Gebieten • (unter anderem auch)Ionenaustausch

29. Chemische Synapsen • Aktionspotential in präsynaptischer Endigung • Spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle öffnen sich, Ca2+ dringt ein • Vesikel mit Neurotransmittern ergießen sich in den synaptischen Spalt (20-50 nm) • oft mehrere Vesikelarten in einer Synapse für verschiedene Transmitter und Kotransmitter • Transmitter reagieren mit Rezeptoren an postsynaptischer Membran • z. B. Na+-Kanäle öffnen sich ⇨Depol. • oder Cl--Kanäle öffnen sich ⇨Hyperpol. • Autorezeptoren (präsynaptisch)regulieren Transmitterausschüttung • Transmitterabbau oder Wiederaufnahme (re-uptake)

30. Rezeptoren • Typ-I-Rezeptor • ligandengesteuerter Ionenkanal • ionotroper (direkter) Rezeptor • schnell • Typ-II-Rezeptor • G-Protein-gekoppelter Ionenkanal • metabotroper(indirekter) Rezeptor • flexibel

31. Neurotransmitter • 1000 Sorten • Acetylcholin • Katecholamine • Dopamin • Adrenalin Monoamine • Noradrenalin • Serotonin • Aminosäuren als Neurotransmitter • Glutamat • GABA • Glycin • Neuropeptide (Peptidhormone) • Neuropetid Y, ACTH, Substanz P, Endorphine, ...

32. Acetylcholin • Esther von Essigsäure und Cholin • nikotinerger Rezeptor • ionotrop, depolarisierend • Muskelzellen, ZNS • muskarinerger Rezeptor • metabotrop, de- od. hyperpolarisierend • Vegetativum, ZNS • wird im synaptischen Spalt zerlegt, Cholin wird wieder aufgenommen • ACh-Gifte • Botulinumtoxin • behindert ACh-Freisetzung • 1 Molekül ruiniert 1 Synapse • E605, Sarin • behindern ACh-Abbau • Gegengift: Atropin (ACh-Antagonist) Loewi, 1921: „Vagusstoff“

33. Katecholamine • Katecholring • Biosynthese aus der proteinogenen Aminosäure Tyrosin • L-DOPA • nicht-proteinogene Aminosäure • Dopamin • Amin • Noradrenalin • Adrenalin • Wiederaufnahme, (Abbau)

34. L-DOPA • Levodopa, L-DOPA, L-Dihydroxyphenylalanin • ist selbst kein Neurotransmitter • passiert Blut-Hirn-Schranke • wird dort zu Dopamin metabolisiert • Behandlung von • Parkinson • Restless-Legs-Syndrom • Encephalitis lethargica • Buch Awakenings von Oliver Sacks • Film mit Robert De Niro, Robin Williams • auch von O.S.: The man who took his wife for a hat • heute: Dopamin-Agonisten, rezeptorspezifisch,tiefe Hirnstimulation

35. Dopamin • fünf Dopamin-Rezeptor Subtypen, D1-D5, metabotrop • unterschiedliche Verteilung / Funktion • D1, D5: Depolarisierung • D2, D3, D4: Hyperpolarisierung • D2-Rezeptor: auch Autorezeptor • Vorkommen • Mittelhirn • Substantia nigra, Tegmentum, u. a. • viele Funktionen, u. a. • Steuerung der Willkürmotorik • Suchtverhalten • Vegetativum • innere Organdurchblutung

36. Noradrenalin • das „normale“ Adrenalin (Nebennierenhormon) • als Hormon • ausgeschüttet vom Nebennierenmark • als Neurotransmitter • Vegetativum • postganglionäre Synapsen des sympathischen Nervensystems • ZNS • produziert im Locus caeruleus („blauer Fleck“) der Medula • Rezeptoren siehe Adrenalin

37. Adrenalin • Adrenozeptoren (Adrenalin und Noradrenalin) • metabotrop, 3 Familien mit 3-4 Subtypen • 1: ZNS, Sympathikus, Urogenitaltrakt, Blutgefäße • 2: prä- und postsynaptisch, peripher und zentral • : Herz, glatte Muskulatur (Bronchien) • unterschiedliche Affinitäten für Adrenalin/Noradrenalin • Noradrenalin bindet insgesamt schwächer, und kaum an -Rezeptor • als Hormon • ausgeschüttet vom Nebennierenmark • als Neurotransmitter: kaum (Hirnstamm)

38. Serotonin • Biosynthese aus proteinogener Aminosäure Tryptophan • Gewebshormon • Vorkommen in Blutplättchen und Mastzellen • 19 verschiedene Rezeptoren bekannt (7 Familien) • Herz-Kreislauf-System • Blutgerinnung • Kontraktion und Relaxation von Blutgefäßen • gastrointestinale Motilität • LSD (Lysergsäurediethylamid)

39. Einschub: Monoaminooxidase (MAO) • Mitchondrales Enzym • beteiligt am intrazellulären Abbau der Monoamintransmitter (nach re-uptake) • Dopamin • Noradrenalin • Adrenalin • Serotonin • Medikament: MAO-Hemmer • verstärken den Effekt von Monoamintransmittern

40. Glutamat • Anion der proteinogenen Aminosäure Glutaminsäure • Aminosäurentransmitter allgemein: häufig • Konzentration im Gehirn Faktor 1000 höher als bei Monoamintransmittern • Rezeptoren: ionotrop und metabotrop • NMDA-Rezeptor • NMDA = (N-Methyl-D-Aspartat) =synthetischer Agonist von Glutamat • spannungs- und ligandengesteuert

41. GABA • Aminosäure -Amino-Buttersäure(GABA) • wichtigster hemmender Transmitter des ZNS • bis zu 50% der hemmenden Synapsen des ZNS • re-uptake • GABAA und GABAC-Rezeptoren: ionotrop (Cl) • GABAB: metabotrop, • präsynaptisch: reduziert Ca2+-Eintrom • postsynaptisch: reduziert K+-Einstrom? • GABAA-Agonisten • Benzodiazepine, Barbiturate (Tranquilizer)

42. Glycin • einfachste proteinogene Aminosäure • inhibitorisch, re-uptake • Rückenmark (Motoneurone) und Hirnstamm • ionotroper Rezeptor (Cl-Kanal) • Glycinantagonisten • Strychnin: Rezeptorblockade • überschießende Erregung der Muskulatur, Atmungsfunktion gestört • Tetanus: verhindert Freisetzung von GABA & Glycin • „Wundstarrkrampf“

43. Neuropeptide • Aminosäurenketten • Hormone • Kotransmitter • über 100 Peptide bekannt • CRH, ACTH • Neuropetid Y • Hunger, Angst, Magen-Darm-Motorik • 6 Rezeptoren Y1 – Y6 • Substanz P (Schmerzrezeptoren) • Endorphine (endogenes Morphin)

44. Neurotransmitter • 1000 Sorten • jeder Transmitter kann mehrere Rezeptoren haben • die spezifischen Rezeptoren sind an unterschiedlichen Stellen im ZNS aktiv • die einzelnen Rezeptoren können unterschiedlich wirken, z. B. • prä- oder postsynaptisch (D2-Rezeptor bei Dopamin) • de- oder hyperpolarisierend (Muskarin-Rezeptor für ACh) • spannungs- und/oder ligandengesteuert (NMDA-Rezeptor)

45. Neuronale Integration von Information • elektrotonische Weiterleitung des (inhibitorischen / exzitatorischen) postsynaptischen Potentials zum Axonhügel • räumliche Addition / Subtraktion (Konvergenz)⇨ Aktionspotential? • zeitliche Summation (Potenzierung) • an der Präsynapse (Ca2+) • an der Postsynapse (echte „zeitliche Summation“)? • „tetanische Potenzierung“ • posttetanische Potenzierung: erhöhte Reizbarkeit

46. Hemmung • präsynaptische Hemmung • laterale Hemmung zurKontrastverschärfung