Schulfach Biologie Oberstufe
Neurobiologie lernen mit Karteikarten: Neuron, Synapse, Aktionspotenzial
Das Nervensystem verarbeitet Information durch elektrische und chemische Signale. Grundlage ist das Neuron mit seinem Membranpotenzial. Das Aktionspotenzial ist das binäre Signal der Nervenleitung. Synapsen übertragen Signale zwischen Neuronen chemisch und ermöglichen Modifikation, Integration und Gedächtnisbildung.
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Neurobiologie: Von der Zelle zum Netzwerk
Neurobiologie verbindet Biophysik (Ionenkanäle, Membranpotenzial) mit Systemphysiologie (Reflexbögen, Gehirnstrukturen). Der Kern ist das Verständnis des Aktionspotenzials und der synaptischen Transmission.
- Membranpotenzial: In Ruhe: Innenseite negativ (~-70 mV, Ruhemembranpotenzial). Ursache: K⁺ strömt nach außen (K⁺-Leitfähigkeit hoch in Ruhe), Na⁺ wird aktivv herausgepumpt (Na⁺/K⁺-ATPase: 3 Na⁺ raus, 2 K⁺ rein). Nernst-Gleichung berechnet Gleichgewichtspotenzial für einzelne Ionen.
- Aktionspotenzial (AP): Schwellenpotenzial (~-55 mV) → spannungsabhängige Na⁺-Kanäle öffnen → schnelle Depolarisation (+30 mV) → Na⁺-Kanäle inaktivieren, K⁺-Kanäle öffnen → Repolarisation → Hyperpolarisation (Nachhyperpolarisation) → Erholung. AP folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip.
- Saltatorische Erregungsleitung: In myelinisierten Axonen springt das AP von Ranvier-Schnürring zu Ranvier-Schnürring. Schneller (bis 120 m/s) als kontinuierliche Leitung in unmyelinisierten Axonen (~1 m/s). Myelinisierung durch Schwann-Zellen (PNS) und Oligodendrozyten (ZNS).
- Chemische Synapse: AP im Präsynapsen-Terminal → spannungsabhängige Ca²⁺-Kanäle öffnen → Ca²⁺ löst Exocytose von Vesikeln aus → Neurotransmitter in synaptischen Spalt → Bindung an postsynaptische Rezeptoren → EPSP (exzitatorisch) oder IPSP (inhibitorisch) → Neurotransmitter-Abbau oder Wiederaufnahme.
- Summation und Integration: Räumliche Summation: gleichzeitige EPSPs von verschiedenen Synapsen addieren sich. Zeitliche Summation: schnell aufeinanderfolgende EPSPs einer Synapse addieren sich. Axonhügel integriert alle EPSPs/IPSPs; wenn Schwelle erreicht, feuert das Neuron.
Alle Karten in diesem Set
| Vorderseite | Rückseite |
|---|---|
| Aus welchen Teilen besteht ein Neuron? | Soma (Zellkörper mit Kern), Dendriten (empfangen Signale), Axon (leitet AP weiter, umhüllt von Myelinscheide), synaptische Endknöpfe (Präsynapse). Axon kann Meter lang werden (z.B. Motoneuronen). |
| Wie entsteht das Ruhemembranpotenzial (-70 mV)? | Höhere K⁺-Konzentration innen → K⁺ diffundiert nach außen (Leck-Kanäle offen) → Innenraum wird negativ. Na⁺/K⁺-ATPase hält Gradienten aufrecht (3 Na⁺ raus, 2 K⁺ rein, ATP-abhängig). Nettopotenzial ~-70 mV. |
| Was ist das Schwellenpotenzial? | Der Schwellenwert (~-55 mV), ab dem spannungsabhängige Na⁺-Kanäle massenhaft öffnen und ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Unter der Schwelle bleibt das Membranpotenzial subthreshold und kein AP entsteht (Alles-oder-Nichts). |
| Was bedeutet das Alles-oder-Nichts-Prinzip beim Aktionspotenzial? | Ein AP hat eine fixe Amplitude und Form, sobald die Schwelle überschritten ist. Ein stärkerer Reiz erzeugt kein höheres AP, sondern eine höhere Feuerfrequenz (Frequenzkodierung). |
| Welche Ionenkanäle sind am Aktionspotenzial beteiligt? | Spannungsabhängige Na⁺-Kanäle: öffnen bei Depolarisation, vermitteln raschen Na⁺-Einstrom (Aufstrich). Spannungsabhängige K⁺-Kanäle: öffnen verzögert, vermitteln K⁺-Ausstrom (Repolarisation, Nachhyperpolarisation). |
| Was ist die Refraktärzeit? | Absolut refraktär: Während Depolarisation/früher Repolarisation kann kein weiteres AP ausgelöst werden (Na⁺-Kanäle inaktiviert). Relativ refraktär: Erhöhte Reizschwelle nötig wegen Nachhyperpolarisation (K⁺-Kanäle noch offen). |
| Was ist saltatorische Erregungsleitung? | In myelinisierten Axonen springt das Aktionspotenzial von Ranvier-Schnürring zu Ranvier-Schnürring (Myelinscheide ist elektrisch isolierend). Deutlich schneller (bis 120 m/s) als kontinuierliche Leitung (~1 m/s). Energieeffizienter, da weniger Membranfläche depolarisiert. |
| Wie funktioniert eine chemische Synapse? | AP trifft an Präsynapse ein → Ca²⁺-Kanäle öffnen → Ca²⁺-Einstrom → synaptische Vesikel fusionieren mit Membran → Neurotransmitter-Exocytose in synaptischen Spalt → NT bindet an Rezeptoren der Postsynapse → EPSP oder IPSP. |
| Was ist ein EPSP? | Exzitatorisches postsynaptisches Potenzial: Depolarisation der Postsynapse durch Neurotransmitter (z.B. Glutamat), die Kationenkanäle öffnen. Mehrere EPSPs können durch Summation die Schwelle überschreiten und ein AP auslösen. |
| Was ist ein IPSP? | Inhibitorisches postsynaptisches Potenzial: Hyperpolarisation der Postsynapse durch Neurotransmitter (z.B. GABA, Glycin), die Cl⁻-Kanäle oder K⁺-Kanäle öffnen. Erschwert Erreichen der Schwelle; inhibitorischer Einfluss. |
| Was ist der Unterschied zwischen zeitlicher und räumlicher Summation? | Zeitliche Summation: schnell aufeinanderfolgende EPSPs derselben Synapse addieren sich, da das vorherige noch nicht abgeklungen ist. Räumliche Summation: gleichzeitige EPSPs verschiedener Synapsen addieren sich am Axonhügel. |
| Was ist Acetylcholin und wo wird es eingesetzt? | Acetylcholin (ACh) ist ein Neurotransmitter an neuromuskulären Synapsen (Motorik), im parasympathischen System und im ZNS. Abbau durch Acetylcholinesterase im synaptischen Spalt. Hemmstoffe (Organophosphate, Tabun) verhindern Abbau → Dauerkontraktion. |
| Was ist der Unterschied zwischen ionotropen und metabotropen Rezeptoren? | Ionotrope Rezeptoren: Liganden-gesteuerte Ionenkanäle; Bindung öffnet direkt Kanal, schnelle Reaktion (ms). Metabotrope Rezeptoren (GPCRs): NT bindet → G-Protein aktiviert → second messenger (cAMP, IP₃) → langsame, modulatorische Effekte (s bis min). |
| Was ist Dopamin und welche Funktion hat es im Gehirn? | Dopamin ist ein Neurotransmitter im mesolimbischen System (Belohnung, Motivation), nigrostriatalen System (Motorik, Parkinson bei Dopaminmangel) und mesokortikalen System (kognitive Funktion). Rolle bei Suchtbildung durch Überaktivierung des Belohnungssystems. |
| Was ist Multiple Sklerose (MS)? | Autoimmunerkrankung des ZNS: Immunzellen greifen Myelinscheiden an (Demyelinisierung). Folge: verlangsamte oder unterbrochene Erregungsleitung, neurologische Ausfälle (Lähmungen, Sehstörungen). Verlauf schubförmig oder primär progressiv. |
| Was ist Langzeit-Potenzierung (LTP)? | Dauerhafte Verstärkung synaptischer Übertragung nach hochfrequenter Stimulation. Mechanismus: NMDA-Rezeptoren in der Postsynapse öffnen nur bei gleichzeitiger starker Depolarisation und Glutamatbindung (Hebb-Regel). LTP gilt als zelluläres Substrat von Lernen und Gedächtnis. |
| Wie unterscheiden sich ZNS und PNS? | ZNS (Zentralnervensystem): Gehirn und Rückenmark, Informationsverarbeitung und -integration. PNS (Peripheres Nervensystem): alle Nerven außerhalb. Unterteilt in somatisches NS (willkürliche Motorik, sensorische Afferenzen) und autonomes NS (Sympathikus, Parasympathikus, Darmnervensystem). |
| Was ist ein Reflexbogen? Nenne die Komponenten. | Nervenpfad für unwillkürliche Reflexantworten. Komponenten: Rezeptor → afferentes (sensorisches) Neuron → Rückenmark (Schaltneuron) → efferentes (motorisches) Neuron → Effektor (Muskel). Beim monosynaptischen Eigenreflex (Knieschlag) kein Schaltneuron. |
| Was sind Astrozyten und Mikroglia? | Astrozyten: Gliazellen im ZNS; regulieren Ionenmilieu, Neurotransmitter-Haushalt, bilden Blut-Hirn-Schranke mit, versorgen Neurone mit Laktat. Mikroglia: residente Makrophagen des ZNS; beseitigen Zellreste, bekämpfen Pathogene, modulieren Entzündungsreaktionen. |
| Was ist die Blut-Hirn-Schranke? | Selektive Barriere zwischen Blutgefäßen und ZNS-Gewebe, gebildet durch tight junctions zwischen Endothelzellen der Gehirnkapillaren, Perizyten und Astrozyten-Endfüßen. Schützt Gehirn vor Toxinen und Erregern; erschwert Medikamenteneintritt ins ZNS. |
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Häufige Fragen
Warum feuern Neuronen nur in eine Richtung?
Durch die Anatomie der Synapse: Neurotransmitter-Vesikel befinden sich nur in der Präsynapse. Rezeptoren nur an der Postsynapse. Außerdem wird das AP durch die Refraktärzeit hinter dem aktuellen Aktionspotenzial blockiert.
Was bewirkt die Myelinisierung bei neurologischen Erkrankungen?
Demyelinisierung (z.B. bei MS) verlangsamt oder blockiert die Erregungsleitung. Da Aktionspotenziale nur an Ranvier-Schnürringen neu generiert werden, ist ein Verlust der Myelinscheide zwischen Schnürringen besonders kritisch.
Was ist der Unterschied zwischen Neurotransmitter-Wiederaufnahme und -Abbau?
Wiederaufnahme (Reuptake): Transporter pumpen den Neurotransmitter zurück in die Präsynapse (z.B. Serotonin-Transporter SERT; blockiert durch SSRIs). Abbau: Enzyme im synaptischen Spalt zersetzen NT (z.B. Acetylcholinesterase zersetzt ACh; MAO baut Monoamine ab).