Thema 3: Struktur und Funktion der Zellen des Nervensystems

Das menschliche Gehirn von vorn (frontal, kranial) nach hinten (kaudal, occipital): etwa 15 cm und die Dicke der Hirnrinde (Cortex): ca. 3 mm.

Zur 100-1000-fache Vergrößerung, denn der Durchmesser der Zellkörper großer Neuronen ist etwqs 0.1 mm und der Durchmesser großer Axone und Dendriten beträgt 0.01 mm.

Zur 10.000-10.000.000-fache Vergrößerung denn synaptisch Endigung beträgt 1 µm Durchmesser, synaptischer Spalt hat einen Abstand von 20 nm, die Dicke der Neuronenmembran beträgt ca. 5 nm und der Durchmesser einen Ionenkanals ist 0.5 nm.

1 cm = 1/100 Meter

1 mm = 1/1.000 Meter

1 µm = 1/1.000.000 Meter

1 nm = 1/1.000.000.000 Meter.

Neuronen und Gliazellen.

Neuronen sind zuständig für die Signaltransport und -verarbeitung.

Sie bestehen aus Dendriten (Input), Soma/Zellkörper (Integrationszone), Axon (Weiterleitung) und einem Axonterminal (Outputzone).

Gliazellen sind ein Hilfsapparat für Nervenzellen und sie haben eine Schutz-, Versorgung- und Stützfunktion.

86 Milliarden Nervenzellen und bis zu einigen Tausend Kontakten zu anderen Nervenzellen pro Nervenzelle.

Dendriten = Input

Soma/Perikaryon/Zellkörper = Integrationszone

Axon = Weiterleitung

Axonterminal = Outputzone

Multipolar neuronen: viele Dendriten vom Soma ausgehend und ein Axon.

Bipolare neuronen: eine Dendrite vom Soma ausgehen und ein Axon.

Unipolare Neuronen: ein Zweig welcher als Dendrite und Axon dient, und sich in zwei Richtungen vom Soma ausdehnt.

• Zellkörper/Soma = metabolische Zentrum des Neurons

• Zellmembran = semipermeable Membran, die das Neuron umschließt

• Dendriten = kurze Fortsätze, die vom Zellkörper ausgehen und an denen die meisten synaptischen Kontakte von anderen Neuronen eingehen

• Axonhügel = kegelförmigeeer Bereich an der Verbindung zwischen dem Axon und seinem Zellkörper

• Axon = lange, schmale Fortsatz, der dem Zellkörper entspringt

• Myelin = fetthaltige Isolierung, von der viele Axone umhüllt sind

• Ranvier-Schnürringe = Lücken zwischen zwei myelinisierten Abschnitten

• Endknöpfchen = knopfartigen Endungen axonaler Äste, die chemische Substanzen in die Synapsen freisetzten

• Synapse = Spalten zwischen benachbarten Neuronen, über die chemische Signale übertragen werden.

Empfangsantenne der Nervenzellen - Inputzone. Aussprossungen entspringen an zahlreichen Stellen des Zellkörpers, kürzer als Axone, verzweigen sich schneller und im Regelfall viel zahlreicher als Axone. Tragen an Oberfläche warzenähnliche Auswachsungen, sog. dendritische Dornen = Spines: dienen der Vergrößerung der Kontaktstellen zu anderen Neuronen – hier finden sich Synapsen mit Axonen anderer Neuronen.

Enthält Zellkern und Mehrheit der Zellorganellen, Bildungsort für Eiweißstoffe

vergleichsweise langer Fortsatz, der dem Zellkörper entspringt. Dient dem Informationstransport von Nervenzelle zu Muskelzelle oder von Nervenzelle zu Nervenzelle. Neuronen besitzen nur ein Axon.

Länge = bis zu 1 m beim Menschen oder auch nur einige mm lang (bei Axonen der sog. Interneuronen)

Durchmesser = 0.5-20 µm bei Säugetieren; 500 µm bei Wirbellosen

Leitungsgeschwindigkeit = bis zu 120 m/Sek (dann wenn dick myelinisiert) = 7.2 km/min = ca. 430 km/h

Enzymen: Transportgeschwindigkeit: 1-5 mm/Tag

Vesikeln: Transportgeschwindigkeit von 40 mm/Tag

Transportrichtung ist rückwarts von Axonkollateralen hin zum Soma (retrograd ); hin zu Axonkollateralen (anterograd).

Axone spalten sich am Ende = Kollaterale, die in Verdickungen (Synapsen) münden, wo Axonterminal sind.

Ein Nerv besteht aus einem Bündel von Axonen, wird umgeben von einer Gewebehülle bzw. -scheide.

Synapsen definiert als Strukturen, an denen die Erregung von einer erregbaren Zelle auf eine andere übertragen wird und ist die Verbindung zwischen Neuronen.

Axone können an verschiedenen Orten des Zielneurons enden und Synapsen bilden, die folgend heißen:

• Axo-axonische Synapse

• Axo-dendritische Synapse (Positionierung am dendrischen Schaft oder spines)

• Axo-somatische Synapse (Postitionierung nahe am Axonhügel)

Ramon y Cajal hat das Neuronen Doktrin eingeführt (welches erst du Einführung der Elektronenmikroskopie in der zweiten Hälfte des 20 Jhd. entgültig bewiesen wurde) welche beschreibt dass das Gehirn aus einzelnend Neuronen und anderen Zellen besteht, die strukturell, metabloisch und funktionell unabghängig sind (woher dachte man Neuronen sind kontinuierlich, wobei ein Neuron eine Röhre darstellt, welche über lange Wege das Signal transportiert). Informationen werden von Zelle zu Zelle über kleine Spalten vermittelt, die später als Synapsen bezeichnet wurden. Die Neuronen liegen also nahe beieinander, aber sind nicht direkt verbunden.

1. Form der ausgehenden Dendriten

2. Größe

3. Arte des abgegebenen Neurotransmitters

4. Verbindungen, die die Neuronen eingehen

5. Zahl der Fortsätze

Pyramidenzellen: Dendriten sind in Pyramidenform

Sternzellen: Dendriten gehen wie bei einem Stern kreisrum vom Soma ab

kleine Neuronen = Granula (Körner-)zellen: Spindel-, Sternzellen

große Neuronen: Pyramidenzellen, Golgi-Typ-1, Pukinje-Zellen

cholinerg = Acetylcholin

noradrenerg = Noradrenalin

glutamaterg = Glutamat

GABAerg = Gammaaminobuttersäure (GABA)

sensorisches Neuron = empfängt Informationen aus Sinneszelle

Interneuron = Neuron, das Kontakte zu anderen Neuronen hat

Motoneuron = Neuron auf Muskelzelle

multipolar = viele Fortsätze

bipolar = 2 Fortsätze

pseudounipolar = 1 Fortsatz, aber nicht durch Zellkörper getrennt

unipolar = 1 Fortsatz

• Langes Axon (langer Übertragungsweg) = Projektionsneurone (z.B. alpha-Motoneuron)

• kurzes Axon (kurzer Übertragunsweg) = Inter- oder Schaltneurone wie in der grauen Substanz von Gehirn und Rückenmark

• Pukinje-Zelle

• Pyramidenzelle

• Sensorische Neurone im visuellen und olfaktorischen System

• somatosensorische Neurone, die Berührungsinformationen ins Rückenmark transportieren

• primäres affarentes (1. sensibles Neuron) im Spinalganglion

• Nissl-Färbung

• Golgi-Färbung

• Autoradiographie

• Immunocytochemie (in-situ Hybridisierung, c-Fos Exprimierung)

• Enzymatisch Methode: Merrettich-Peroxidase

• Darstellung der Faserbahnen mit Tracern (tract tracing) mit anterogradem und retrogradem Transport

Die Nissl-Färbung macht Zellkerne sichtbar und ist benannt nach Franz Nissl (1860-1919). Da mit der Färbung nur die RNA markiert wird: Dichte von Zellkernen in einer bestimmten Region wird dargestellt.

Die Golgi-Färbung macht komplette Nervenzelle sichtbar mit Silbernitratlösung und ist benannt nach Camillo Golgi (1843-1926; 1906 Nobelpreis für Medizin).

Zusätzliche Variante ist die Injektion fluoreszierender Substanzen direkt ins Neuron.

Zellen macht sozusagen „Photo“ von sich selbst, z. B. radioaktive Form eines neuen Medikaments wird injiziert.

Das Ziel: Stellen im Gehirn ausfindig machen, an denen das Pharmakon wirkt. Es wird auch genutzt bei der Darstellung von Axonen.

Bei der Immunocytochemie werden (gemeinsame) immunologische Merkmale von Zellen genutzt: z. B. gemeinsame Membranproteine; über Antikörper dargestellt, die auf das Hirngewebe aufgebracht werden und zeigt uns, wo in der Zelle bestimmte Proteine gefunden werden. So wurden Neurotransmitter in Axonen entdeckt.

Spezielle Varianten: in-situ Hybridisierung: messenger RNA detektiert

c-fos Exprimierung: sogenannte immediate early genes detektiert.

Meeretich-Peroxidase wird an Axonterminalen aufgenommen, wandert rückwärts (retrograd) im Axon. Darstellung der Zelle, die den Ursprung von Axonen, Tracti darstellt.

Das Neuron ist eine Sonderform der tierischen Zelle und zählt zur Gruppe der Eukaryonten ((= Zellen, die Zellkern besitzen) im Gegensatz zu Prokaryonten (Zellen ohne Zellkern), z. B. Bakterien, bestimmte Algen.

Bestandteile des Neurons sind Zellkern und Zytoplasma.

Der Zellkern enthält die gesamten genetischen Informationen: Chromosonen.

Kernmembran (weist Kernporen zum Durchtritt von messenger RNA und von Kernproteinen auf)

Nucleolus (ort der Ribosomenbildung)

Zytosol + kleinere Partikel = Zellorganellen.

Zellorganellen:

• Mitochondrien

• Ribosomen

• Endoplasmatisches Reticulum

• Golgi-Apparet

• Lyosomen

• Peroxisomen

• Zytoskelett

• Kernpore

• Dendrit

• Nucleus

• Nucleolus

• Mitochondrium

• Axonhügel

• Axon

• Neurotubuli und Neurofilamente

• raues Endplastisches Reticulum

• Golgi-Apparat

Der Zellkern ist vom umgebenden Zytoplasma durch doppelschichtige Kernmembran (Karyolemm) getrennt und enthält das gesamte genetische Information (in Gestalt der Chromosomen) und enthält Nucleolus (Kernkörperchen)

Chromosone haben bestimmte Anteile, die Gene, welche die Bildung von messanger-RNA (mRNA) verursachen. mRNA enthält eine Kopie der an diesem Ort gespeicherten Information, verlässt den Zellkern über die Kernmembran: heftet sich an Ribosomen, bewirkt dann an den Ribosomen die Proteinbildung

Gene legen fest, welche Arten von Proteinen eine Zelle bildet.

• Steuerung von Wachstum und Differenzierung

• Transport und Speicherung von Stoffen

• Bildung und Weiterleitung von Nervenimpulsen (viele Neurotransmitter sind Aminosäuren oder Aminosäurederivate)

• Auslösung muskulärer Bewegungsaktivität

• Immunabwehr

• enzymatische Steuerung chemischer Reaktionen

• Genom des Menschen: insgesamt 25.000 Gene

• beinhalten die Information über die Reihenfolge von Aminosäuren in einem Polypeptid oder Protein.

• Geringste Fehlsteuerungen bei der Proteinsynthese haben weitreichende Folgen (genetische Defekte: schwerste und tödliche Erkrankungen),

• Nur etwa 1.5% der DNA ist in die Proteincodierung eingebunden, d.h. bringt den Bauplan für Proteine mit

fast 100%

Proteine sind Polypeptide mit >100 Aminosäuren und bestehen aus den Aminosäuren. Der Begriff Peptid ist für Molekülketten <100 Aminosäuren.

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• genetische Information im Zellkern in DNA vorhanden

• DNA-Doppelstrang trennt sich auf über eine Strecke, die der Ausdehnung eines Gens entspricht

• benötigte Information vom Zellkern auf Messenger RNA (mRNA*) kopiert, durch Poren der Kernmembran nach außen transportiert

• dadurch: genetische Information wird vom Zellkern heraus ins Zytoplasma transportiert

• dort außen: Ribosom lagert sich an mRNA-Strang an

• Proteinsynthese an Ribosomen mittels transfer-RNA = tRNA; jedes Codon wird in eine AS übersetzt – viele AS ergeben Protein

• Proteine im Golgi-Apparat in Vesikeln verpackt

• Gelangen von dort zu anderen Zellorganellen oder wandern in Extrazellulärraum

Vorgang der Proteinsynthese auf der Basis der genetischen Information

es wird eine Kopie von einem Abschnitt eines DNA-Strangs (meist einem Gen entsprechend) angefertigt, durch Transkriptionsfaktoren angeregt^. Einzelne Gene können durch chemische Prozesse (i. a. durch Transkriptionsfaktoren) an- oder ausgeschaltet werden.

Kleiner, spezialisierte RNA-Stücke (Transfer-RNA, tRNA) bringen die benötigten, in der Zelle vorhandenen freien Aminosäuren zu den Ribosomen

• die Gestalt von Ionenkanälen annehmen -> bilden dann als Membranproteine die Ein- und Ausgänge der Zellmembranen; können Passage der Ionen steuern

• als Enzyme arbeiten (die chemische Reaktionen koordinieren: z. B. bei Produktion von Neurotransmittern)

• viele Hormone sind Peptidhormone (Insulin, Catecholamine)

• einzelne Neurotransmitter sind Aminosäuren oder Aminosäurederivate

• im ZNS: dort eine Reihe von Neuropeptiden aktiv

• Phänomene wie die Langzeitpotenzierung (-> beeinflussen Proteinsynthese)

• Endoplasmatisches Reticulum

• Cytoplasma

• Ribosomen

• Golgi-Apparat

• Nucleus

• Mitochondrien

• Mikrotubuli

• Kraftwerk der Zelle

• Fett wird abgebaut und Energieträger in ATP (Adenosin-Tri-Phosphat) umgewandelt (ATP als Energielieferant für Gehirn und Muskeln)

• Orte der Proteinsynthese

• schwimmen entweder frei im Zytoplasma oder meist in Ketten (Polyribosome) an nRNA-Strang angelagert

• hergestellte Proteine bleiben im Zytoplasma

• An Ribosomen des rauen endoplasmatischen Reticulums: Proteine für extrazellulären Raum synthetisiert