Fachmodul Neurobiologie II - Exam

Aufgabe 1)

Stelle dir vor, du bist ein Biologe, der die komplexen Wechselwirkungen verschiedener Organsysteme im menschlichen Körper untersucht. Angenommen, eine Person hat eine Dysfunktion im endokrinen System, was zu einer unzureichenden Insulinproduktion führt (z.B. Diabetes Mellitus). Untersuche und beschreibe die Auswirkungen dieser Dysfunktion auf drei andere Organsysteme in Bezug auf die Aufrechterhaltung der Homöostase.

a)

Erkläre, wie das kardiovaskuläre System auf die unzureichende Insulinproduktion reagieren würde. Diskutiere die möglichen Kurz- und Langzeitfolgen auf die Funktion des kardiovaskulären Systems.

Lösung:

Auswirkungen der unzureichenden Insulinproduktion auf das kardiovaskuläre System

• Kurzfristige Auswirkungen:
• Erhöhter Blutzuckerspiegel: Bei unzureichender Insulinproduktion bleibt der Blutzuckerspiegel erhöht. Dies führt zu Osmose-Effekten, bei denen Wasser ins Blut diffundiert und somit das Blutvolumen und den Blutdruck erhöht.
• Erhöhte Blutviskosität: Der hohe Blutzuckerspiegel kann zu einer Verdickung des Blutes führen. Diese Erhöhung der Blutviskosität erschwert den Blutfluss durch die Kapillaren und belastet das Herz.
• Veränderter Elektrolythaushalt: Hohe Blutzuckerspiegel können zu Ungleichgewichten im Elektrolytenhaushalt führen, insbesondere von Kalium und Natrium, die wichtige Rollen bei der Herzrhythmuskontrolle spielen.
• Langfristige Auswirkungen:
• Arteriosklerose: Chronisch hohe Blutzuckerspiegel schädigen die Arterienwände, was zu Arteriosklerose führen kann. Dies erhöht das Risiko für Herzkrankheiten, Schlaganfälle und andere kardiovaskuläre Komplikationen.
• Hypertonie (Bluthochdruck): Die erhöhte Blutviskosität und das erhöhte Blutvolumen können zu chronischem Bluthochdruck führen. Dies belastet das Herz und die Blutgefäße langfristig zusätzlich.
• Kardiomyopathie: Diabetes kann direkt zu einer Beeinträchtigung des Herzmuskels führen, was als diabetische Kardiomyopathie bezeichnet wird. Dies führt zu verminderter Herzleistung und letztendlich zu Herzinsuffizienz.
• Erhöhtes Risiko für Myokardinfarkt: Die Kombination aus Arteriosklerose, Hypertonie und kardiomyopathischen Veränderungen erhöht das Risiko für Herzinfarkte signifikant.

b)

Beschreibe die Interaktion zwischen dem Nervensystem und dem endokrinen System im Kontext von Diabetes Mellitus. Welche Rolle spielt das Nervensystem bei der Regulation des Blutzuckerspiegels und wie könnte diese Rolle durch Insulinmangel beeinträchtigt werden?

Lösung:

Interaktion zwischen dem Nervensystem und dem endokrinen System im Kontext von Diabetes Mellitus

• Rolle des Nervensystems bei der Regulation des Blutzuckerspiegels:
• Das Nervensystem, insbesondere das autonome Nervensystem, spielt eine wesentliche Rolle bei der Regulierung des Blutzuckerspiegels durch die Freisetzung von Hormonen aus verschiedenen endokrinen Drüsen.
• Der Hypothalamus im Gehirn überwacht die Blutzuckerspiegel und sendet Signale an die Bauchspeicheldrüse, um die Insulin- oder Glukagonproduktion zu regulieren.
• Das sympathische Nervensystem kann Adrenalin freisetzen, um den Blutzuckerspiegel zu erhöhen, indem es die Glukogenolyse und Glukoneogenese in der Leber stimuliert.
• Auswirkungen von Insulinmangel auf das Nervensystem:
• Ein chronisch hoher Blutzuckerspiegel aufgrund von Insulinmangel kann das zentrale und periphere Nervensystem schädigen, was zu diabetischer Neuropathie führen kann.
• Das Nervensystem könnte Schwierigkeiten haben, angemessen auf Hypoglykämie- oder Hyperglykämie-Episoden zu reagieren, da die normale Feedback-Schleife gestört ist.
• Hypoglykämie (niedriger Blutzucker) kann zu neurologischen Symptomen wie Verwirrung, Zittern, Schwindel und im Extremfall zu Bewusstlosigkeit oder Anfällen führen.
• Hyperglykämie (hoher Blutzucker) kann langfristig zur Dysfunktion von Nervenzellen führen, was das Risiko für Schlaganfälle und andere neurologische Komplikationen erhöht.
• Beeinträchtigung durch Insulinmangel:
• Der Insulinmangel führt zu einem Ungleichgewicht im Zuckerstoffwechsel und stellt eine konstante Belastung für das Nervensystem dar, da die Fähigkeit des Körpers, auf variierende Blutzuckerspiegel zu reagieren und diese zu regulieren, eingeschränkt ist.
• Langfristig kann der Insulinmangel zu oxidativem Stress und Entzündungen führen, die die Funktion des Nervensystems weiter beeinträchtigen.
• Die diabetische Neuropathie, eine häufige Komplikation bei Diabetes, kann sensorische, motorische und autonome Nerven betreffen, was zu Schmerz, Taubheit und Funktionsverlust in verschiedenen Körperbereichen führt.

c)

Analysiere die Auswirkungen von Diabetes Mellitus auf das Immunsystem. Achte besonders darauf, wie der Insulinmangel die Immunantwort beeinflussen kann und welche potentiellen Komplikationen daraus resultieren können.

Lösung:

Auswirkungen von Diabetes Mellitus auf das Immunsystem

• Beeinträchtigung der Immunantwort durch Insulinmangel:
• Gestörte Phagozytose: Hohe Blutzuckerspiegel können die Funktion von Phagozyten wie Makrophagen und neutrophilen Granulozyten beeinträchtigen, was zu einer verminderten Fähigkeit führt, Krankheitserreger zu erkennen und zu eliminieren.
• Verminderte Chemotaxis: Diabetes kann die chemotaktische Reaktion von Immunzellen, d.h. deren Bewegung und Anziehung zu Infektionsstellen, beeinträchtigen, wodurch die Effizienz der Immunantwort vermindert wird.
• Veränderter Zytokinspiegel: Ein erhöhter Blutzuckerspiegel beeinflusst die Produktion und Freisetzung von Zytokinen, die entscheidend für die Koordination der Immunantwort sind. Dies kann zu einer unangemessenen oder ineffektiven Immunreaktion führen.
• Potentielle Komplikationen durch beeinträchtigte Immunfunktion:
• Erhöhtes Infektionsrisiko: Personen mit Diabetes haben ein höheres Risiko für bakterielle, virale und Pilzinfektionen, da die Effektivität ihres Immunsystems vermindert ist. Beispiele sind Fußinfektionen, Harnwegsinfektionen und Hautinfektionen.
• Längerer Krankheitsverlauf: Infektionen neigen dazu, bei Diabetikern schwerer und langwieriger zu verlaufen. Dies liegt an der beeinträchtigten Fähigkeit des Körpers, Infektionen effizient zu bekämpfen und zu kontrollieren.
• Schlecht heilende Wunden: Ein chronisch hoher Blutzuckerspiegel stört die normale Wundheilung, da er die Bildung neuer Blutgefäße (Angiogenese) und die Kollagenproduktion hemmt. Dies führt zu schlecht heilenden oder chronischen Wunden, insbesondere an den Extremitäten.
• Erhöhtes Risiko für Autoimmunerkrankungen: Diabetes Mellitus kann das Risiko für andere Autoimmunerkrankungen erhöhen. Ein beeinträchtigtes Immunsystem kann fehlerhaft körpereigenes Gewebe angreifen, was zusätzliche gesundheitliche Komplikationen hervorruft.

Aufgabe 2)

Das Nervensystem spielt eine zentrale Rolle bei der Regulation und Kontrolle der meisten Körperfunktionen. Die Regulation erfolgt sowohl auf zentraler als auch peripherer Ebene und umfasst die chemische Übertragung durch Neurotransmitter sowie die elektrische Informationsweiterleitung durch Aktionspotentiale. Reflexbögen ermöglichen schnelle, automatische Reaktionen, während die Homöostase durch das Nervensystem aufrechterhalten wird. Zudem integriert das Nervensystem sensorische Informationen und koordiniert motorische Antworten. Das vegetative Nervensystem kontrolliert unbewusste Funktionen, während das somatische Nervensystem für die bewusste Bewegungssteuerung zuständig ist.

a)

Erläutere den Mechanismus eines Reflexbogens und beschreibe seine Rolle in der schnellen Reaktionsfähigkeit des Körpers.

Gehe dabei auch auf die beteiligten Strukturen wie Rezeptoren, sensorische Neuronen, Interneuronen, motorische Neuronen und Effektoren ein und gib ein konkretes Beispiel eines Reflexes.

Lösung:

• Mechanismus eines Reflexbogens: Ein Reflexbogen ist der einfachste neuronale Schaltkreis, der eine schnelle, automatische Reaktion ermöglicht. Er funktioniert nach einem festen Schema: 1. Rezeptoren: Diese sind spezialisierte Nervenzellen oder -strukturen, die Reize (z.B. Berührung, Druck, Temperatur) wahrnehmen und in elektrische Signale umwandeln. 2. Sensorische Neuronen: Die elektrischen Signale vom Rezeptor werden über sensorische Neuronen (afferente Neuronen) zum Rückenmark oder Gehirn weitergeleitet. 3. Interneuronen: Im Rückenmark oder Gehirn werden die Signale von sensorischen Neuronen auf Interneuronen übertragen. Diese sind für die Integration und Verarbeitung der Information zuständig. 4. Motorische Neuronen: Interneuronen leiten die verarbeitete Information an motorische Neuronen (efferente Neuronen) weiter, die dann einen Impuls zu einem Effektor senden. 5. Effektoren: Dies können Muskeln oder Drüsen sein, die auf den erhaltenen Impuls reagieren, indem sie sich z.B. zusammenziehen oder etwas ausscheiden.
• Schnelle Reaktionsfähigkeit des Körpers: Die Struktur des Reflexbogens erlaubt eine sehr schnelle Reaktion auf Reize, da die Information nicht erst im Gehirn komplex verarbeitet werden muss. Dadurch können lebenswichtige Reaktionen, wie das Zurückziehen der Hand von einer heißen Oberfläche, innerhalb von Millisekunden erfolgen.
• Konkretes Beispiel eines Reflexes: Ein bekanntes Beispiel ist der Kniesehnenreflex (Patellarsehnenreflex). Wenn der Bereich unterhalb der Kniescheibe leicht geschlagen wird, dehnt sich die Sehne und stimuliert die Dehnungsrezeptoren (Muskelspindeln) im Quadrizeps. Diese senden ein Signal über die sensorischen Neuronen an das Rückenmark, wo es direkt auf motorische Neuronen umgeschaltet wird. Die motorischen Neuronen senden den Impuls zurück in den Quadrizeps, welcher sich dann kontrahiert und das Bein nach vorne schnellt.

c)

Vergleiche das somatische und das vegetative Nervensystem in Bezug auf ihre Hauptfunktionen und die Art der gesteuerten Prozesse.

Beziehe dich dabei auf die Unterschiede und Gemeinsamkeiten in ihrer Anatomie, den Typ von Neurotransmittern, und wie sie die willkürlichen und unwillkürlichen Körperfunktionen regulieren.

Diskutiere auch, wie Störungen in diesen Systemen unterschiedliche physiologische Auswirkungen haben könnten.

Lösung:

• Vergleich des somatischen und des vegetativen Nervensystems:
  • Hauptfunktionen und gesteuerte Prozesse:
    • Somatisches Nervensystem (SNS):
      • Funktion: Steuert willkürliche Bewegungen der Skelettmuskulatur.
      • Gesteuerte Prozesse: Bewusste Bewegungen wie Gehen, Greifen und Sprechen.
    • Vegetatives Nervensystem (VNS):
      • Funktion: Steuert unwillkürliche Körperfunktionen wie Herzschlag, Atmung und Verdauung.
      • Gesteuerte Prozesse: Homöostase, Anpassung an Stress und Entspannung durch Sympathikus und Parasympathikus.
  • Anatomie:
    • Somatisches Nervensystem: Besteht aus afferenten (sensorischen) und efferenten (motorischen) Nervenfasern, die direkt mit den Skelettmuskeln verbunden sind.
    • Vegetatives Nervensystem: Besteht aus einem Netzwerk von Nerven, die die inneren Organe durch ein zweistufiges System aus präganglionären und postganglionären Neuronen beeinflussen.
  • Typ von Neurotransmittern:
    • Somatisches Nervensystem: Hauptsächlich Acetylcholin (ACh).
    • Vegetatives Nervensystem: Verwendet Acetylcholin (ACh) im Parasympathikus und Noradrenalin (NA) im Sympathikus.
  • Regulierung der Körperfunktionen:
    • Somatisches Nervensystem: Steuert willkürliche Funktionen, bewusst kontrolliert durch das Gehirn.
    • Vegetatives Nervensystem: Kontrolliert unwillkürliche Funktionen, autonom und ohne bewusste Steuerung.
  • Gemeinsamkeiten:
    • Beide Systeme nutzen Neurotransmitter für die Informationsübertragung.
    • Beide sind an der Regulierung der Körperfunktionen beteiligt und arbeiten oft zusammen, um den Körper optimal zu unterstützen.
  • Physiologische Auswirkungen von Störungen:
    • Somatisches Nervensystem:
      • Störungen können zu Muskelzuckungen, Lähmung oder Muskelschwäche führen.
      • Beispiele: Amyotrophe Lateralsklerose (ALS), Multiple Sklerose (MS).
    • Vegetatives Nervensystem:
      • Störungen können zu abnormalen Herzschlägen, Verdauungsproblemen, Bluthochdruck oder anderen autonomen Dysfunktionen führen.
      • Beispiele: Dysautonomie, Posturales Tachykardiesyndrom (POTS).

Aufgabe 3)

Hormonrezeptoren binden spezifische Hormone und initiieren Signalkaskaden, die eine zelluläre Antwort hervorrufen.

• Hormonrezeptoren sind proteinbasierte Moleküle auf Zelloberflächen oder im Zellinneren.
• Endokrine Signalübertragung erfolgt durch Hormone.
• Die Bindung des Hormons an den Rezeptor führt zu Konformationsänderungen.
• Konformationsänderungen lösen intrazelluläre Signalkaskaden aus.
• G-Protein-gekoppelte Rezeptoren: über G-Proteine und Second Messenger.
• Rezeptor-Tyrosinkinasen: Autophosphorylierung und Aktivierung von Proteinkinasen.
• Nukleäre Rezeptoren: beeinflussen direkt die Genexpression und wirken als Transkriptionsfaktoren.
• Häufige Second Messenger: cAMP, Ca²⁺, IP₃.
• Signalverstärkung durch Kaskadeneffekt (z.B. via Kinase-Kaskaden).

a)

Erkläre den Mechanismus, wie G-Protein-gekoppelte Rezeptoren nach der Hormonbindung eine Signalkaskade auslösen. In Deiner Erklärung sollen die Schritte von der Hormonbindung bis zur Aktivierung des Second Messengers cAMP detailliert beschrieben werden.

Lösung:

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind eine wichtige Klasse von Rezeptoren, die eine Vielzahl von zellulären Antworten auf Hormone und andere Signalmoleküle vermitteln. Hier ist der Mechanismus, wie GPCRs nach der Hormonbindung eine Signalkaskade auslösen, detailliert beschrieben:

• Hormonbindung: Ein spezifisches Hormon bindet an den extrazellulären Teil des G-Protein-gekoppelten Rezeptors.
• Konformationsänderung: Die Bindung des Hormons führt zu einer Konformationsänderung des Rezeptors. Diese Änderung überträgt sich auf den intrazellulären Teil des Rezeptors.
• Aktivierung des G-Proteins: Der veränderte Rezeptor interagiert mit einem G-Protein, das aus drei Untereinheiten besteht: Alpha (α), Beta (β) und Gamma (γ). Das G-Protein bindet an den Rezeptor und das GDP, das an die Alpha-Untereinheit gebunden ist, wird durch GTP ersetzt. Dies aktiviert das G-Protein und führt zur Dissoziation der Alpha-Untereinheit von den Beta- und Gamma-Untereinheiten.
• Interaktion mit Adenylylcyclase: Die aktivierte Alpha-Untereinheit (α-GTP) wandert entlang der Zellmembran und interagiert mit dem Enzym Adenylylcyclase.
• Bildung von cAMP: Die Aktivierung der Adenylylcyclase durch die Alpha-Untereinheit führt zur Umwandlung von ATP zu cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat), einem wichtigen Second Messenger.
• Signalkaskade: Der gebildete Second Messenger, cAMP, aktiviert Protein-Kinase A (PKA) und andere nachgelagerte Effektorproteine, die schließlich zu einer zellulären Antwort führen.

Zusammengefasst löst die Bindung eines Hormons an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor eine mehrstufige Kaskade aus, die über die Aktivierung von G-Proteinen und Adenylylcyclase zur Produktion von cAMP und der anschließenden Aktivierung von Effektorproteinen führt. Diese Signalkaskade ermöglicht eine Verstärkung des ursprünglichen Signals und eine präzise Regulierung zellulärer Prozesse.

b)

Beschreibe den Prozess der Autophosphorylierung bei Rezeptor-Tyrosinkinasen und erkläre, wie dies zur Aktivierung von Proteinkinasen führt. Warum ist dieser Prozess wichtig für die zelluläre Signalübertragung?

Lösung:

Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) sind eine Klasse von Enzym-Rezeptoren, die auf der Zelloberfläche lokalisiert sind und eine Schlüsselrolle bei der Regulierung verschiedener zellulärer Prozesse spielen. Hier ist der Prozess der Autophosphorylierung bei RTKs und wie dies zur Aktivierung von Proteinkinasen führt:

• Hormonbindung: Ein spezifisches Hormon (Ligand) bindet an die extrazelluläre Domäne des Rezeptor-Tyrosinkinase-Dimers. Diese Bindung verursacht Konformationsänderungen, die die Dimerisierung der Rezeptoren fördern, wenn diese nicht bereits als Dimer vorliegen.
• Dimerisierung: Die Ligandenbindung bewirkt, dass die beiden Rezeptor-Tyrosinkinase-Moleküle sich zusammenlagern und ein Dimer bilden. Dies ist ein entscheidender Schritt für die Aktivierung der Rezeptoren.
• Autophosphorylierung: Nach der Dimerisierung führt die Nähe der intrazellulären Tyrosinkinase-Domänen dazu, dass sie sich gegenseitig an spezifischen Tyrosinresten phosphorylieren (Autophosphorylierung). Diese Phosphorylierung findet an bestimmten Tyrosinresten in der intrazellulären Domäne des Rezeptors statt.
• Rekrutierung von Signalmolekülen: Die phosphorylierten Tyrosinreste dienen als Ankerstellen für intrazelluläre Signalmoleküle. Diese Moleküle, wie z.B. verschiedene Adapterproteine und Enzyme, binden über spezifische Domänen (z.B. SH2-Domänen) an die phosphorylierten Tyrosine.
• Aktivierung von Proteinkinasen: Die Rekrutierung und Bindung dieser Signalmoleküle führt zur Aktivierung nachgeschalteter Proteinkinasen. Diese Kinasen phosphorylieren weitere Zielproteine, was zu einer Kaskade von Phosphorylierungsereignissen führt.

Wichtigkeit für die Zelluläre Signalübertragung: Der Prozess der Autophosphorylierung bei RTKs ist essenziell für die zelluläre Signalübertragung aus mehreren Gründen:

• Signalweiterleitung und Verstärkung: Die Phosphorylierung von Tyrosinresten und die nachfolgende Rekrutierung von Signalmolekülen ermöglichen eine präzise und verstärkte Weiterleitung des Signals.
• Regulierung Zellulärer Prozesse: Durch die Aktivierung von Proteinkinasen und anderen Signalmolekülen beeinflussen RTKs wesentliche zelluläre Prozesse wie Zellwachstum, Differenzierung, Überleben und Zellmigration.
• Spezifität der Signalübertragung: Die spezifische Bindung der Signalmoleküle an die phosphorylierten Tyrosinreste gewährleistet eine hohe Spezifität der Signalübertragung und verhindert unerwünschte oder unspezifische Signale.

Zusammengefasst ist die Autophosphorylierung bei RTKs ein zentraler Mechanismus zur Aktivierung von Proteinkinasen und zur Regulation wichtiger zellulärer Prozesse. Sie gewährleistet eine präzise, spezifische und verstärkte Signalübertragung, die für das ordnungsgemäße Funktionieren der Zelle von entscheidender Bedeutung ist.

c)

Nukleäre Rezeptoren wirken als Transkriptionsfaktoren. Erläutere, wie diese Rezeptoren nach der Hormonbindung die Genexpression beeinflussen. Erkläre dabei den Mechanismus von der Hormonbindung bis zur Transkription spezifischer Gene.

Lösung:

Nukleäre Rezeptoren sind eine Klasse von Hormonrezeptoren, die im Zellkern oder im Zytoplasma lokalisiert sind und direkt die Genexpression beeinflussen, indem sie als Transkriptionsfaktoren wirken. Hier ist der Mechanismus, wie nukleäre Rezeptoren nach der Hormonbindung die Genexpression beeinflussen:

• Hormonbindung: Ein lipophiles Hormon, wie Steroidhormone (z.B. Östrogen, Testosteron) oder Schilddrüsenhormone, diffundiert durch die Zellmembran und bindet an einen nukleären Rezeptor im Zytoplasma oder direkt im Zellkern.
• Konformationsänderung und Aktivierung: Die Bindung des Hormons an den nukleären Rezeptor führt zu einer Konformationsänderung des Rezeptors. Diese Änderung aktiviert den Rezeptor und erhöht seine Affinität für die DNA.
• Dimerisierung: Viele nukleäre Rezeptoren bilden nach der Hormonbindung Dimere (Homodimere oder Heterodimere). Diese Dimere sind für die spezifische DNA-Bindung und die Aktivierung der Transkription wichtig.
• Bindung an DNA: Der aktivierte und dimerisierte Rezeptor wandert in den Zellkern (wenn nicht bereits dort) und bindet an spezifische DNA-Sequenzen, die als Hormone Response Elements (HREs) bezeichnet werden, in den Promotorregionen der Zielgene.
• Rekrutierung von Kofaktoren: Nach der Bindung an die DNA rekrutiert der Rezeptor eine Reihe von Kofaktoren, die für die Transkriptionsregulation notwendig sind. Diese können Koaktivatoren (die die Transkription fördern) oder Korepressoren (die die Transkription hemmen) sein.
• Modifikation der Chromatinstruktur: Die rekrutierten Kofaktoren können Enzyme umfassen, die die Chromatinstruktur modifizieren, wie Histonacetyltransferasen (HATs) oder Histondeacetylasen (HDACs). Diese Modifikationen beeinflussen die Zugänglichkeit der DNA für die Transkriptionsmaschinerie.
• Initiierung der Transkription: Durch die modifizierte Chromatinstruktur und die Bindung von Transkriptionsfaktoren wird die RNA-Polymerase II an die Promotorregion rekrutiert und die Transkription der Zielgene wird initiiert.

Wichtigkeit für die Genexpression

• Direkte Einflussnahme auf Genexpression: Nukleäre Rezeptoren beeinflussen direkt die Transkription spezifischer Gene und können verschiedene zelluläre Prozesse wie Wachstum, Differenzierung und Stoffwechsel regulieren.
• Feinabstimmung der Zellantwort: Durch die Rekrutierung verschiedener Kofaktoren können nukleäre Rezeptoren die Genexpression feinabstimmen und sowohl aktivierende als auch reprimierende Effekte haben, je nach zellulärem Kontext.
• Langfristige Effekte: Da nukleäre Rezeptoren direkt an der Regulation der Genexpression beteiligt sind, haben sie oft langfristige Effekte auf die Zellfunktion und das Verhalten.

Zusammengefasst beeinflussen nukleäre Rezeptoren nach der Hormonbindung die Genexpression, indem sie als Transkriptionsfaktoren wirken, die spezifische DNA-Sequenzen binden und die Rekrutierung von Kofaktoren steuern. Diese Prozesse führen zur Initiierung der Transkription und zur Regulation der Expression spezifischer Zielgene.

Aufgabe 4)

Du hast die Aufgabe, die Prozesse und Mechanismen, die bei der Erzeugung eines Aktionspotentials in einem Neuron ablaufen, detailliert zu beschreiben und zu analysieren. Dabei stehen Dir die Informationen zu Verfügung, dass das Ruhepotential eines Neurons etwa -70 mV beträgt und die für das Aktionspotential wichtigen Phasen Depolarisation, Overshoot, Repolarisation und Hyperpolarisation umfassen. Die Membranpotentialänderungen werden hauptsächlich durch die Aktivität von spannungsabhängigen Natrium- (Na⁺-) und Kalium- (K⁺-)Kanälen ermöglicht.

a)

Beschreibe den Ablauf eines Aktionspotentials im Detail, beginnend beim Ruhepotential, über die Depolarisation bis zur Hyperpolarisation. Gehe dabei besonders auf die Rolle der spannungsabhängigen Ionenkanäle ein.

Lösung:

• Ruhepotential
Das Ruhepotential eines Neurons beträgt etwa -70 mV. In diesem Zustand sind die meisten spannungsabhängigen Natrium- (Na⁺-) und Kalium- (K⁺-)Kanäle geschlossen. Die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials wird hauptsächlich durch die Natrium-Kalium-Pumpe und passiven K⁺-Kanäle erreicht, die K⁺-Ionen nach außen und Na⁺-Ionen nach innen befördern, wobei mehr K⁺ aus dem Neuron herausfließt als Na⁺ hinein gelangt.
• Depolarisation
Ein Reiz verursacht die Öffnung der spannungsabhängigen Na⁺-Kanäle. Na⁺-Ionen strömen in das Neuron ein, was zu einer positiven Verschiebung des Membranpotentials führt. Dieser Prozess setzt sich fort, bis das Schwellenpotential erreicht ist (typischerweise etwa -55 mV). Ab diesem Punkt öffnen sich viele Na⁺-Kanäle schnell und lassen eine große Anzahl von Na⁺-Ionen in die Zelle einströmen, wodurch das Membranpotential weiter ansteigt und eine positive Spannung erreicht.
• Overshoot
Während des Overshoots erreicht das Membranpotential einen positiven Wert (etwa +30 mV). Hier öffnen sich Na⁺-Kanäle vollständig, und der Einstrom von Na⁺-Ionen erreicht seinen Höhepunkt. In diesem Stadium beginnen einige Na⁺-Kanäle inaktiv zu werden (schließen sich) und bereiten die Zelle auf die nächste Phase vor.
• Repolarisation
Während der Repolarisation schließen die Na⁺-Kanäle und die spannungsabhängigen K⁺-Kanäle öffnen sich. K⁺-Ionen strömen aus der Zelle, was zu einer Abnahme des Membranpotentials führt. Der Ausstrom von K⁺ bewirkt, dass das Membranpotential in Richtung des negativen Ruhepotentials zurückkehrt.
• Hyperpolarisation
Beim Prozess der Hyperpolarisation wird das Membranpotential vorübergehend negativer als das Ruhepotential. Dies geschieht, weil die K⁺-Kanäle etwas langsamer schließen und weiterhin K⁺-Ionen aus der Zelle strömen. Dieser Zustand stellt sicher, dass das Neuron in ein Ruhepotential zurückkehrt und bereit für das nächste Aktionspotential ist.

b)

Berechne die theoretische Membranpotentialänderung, wenn zu Beginn des Aktionspotentials in einem idealisierten Modell als 10 % mehr Na⁺-Ionen als normal durch die spannungsabhängigen Natriumkanäle eintreten. Nutze dafür die Näherungsformel für die berechnete Nettoladung Wenn das Gleichgewichtspotential für Na⁺ bei +60 mV und für K⁺ bei -90 mV liegt.

Lösung:

Um die theoretische Membranpotentialänderung zu berechnen, wenn 10 % mehr Na⁺-Ionen als normal durch die spannungsabhängigen Natriumkanäle eintreten, verwenden wir eine Näherungsformel basierend auf den gegebenen Gleichgewichtspotentialen für Na⁺ und K⁺. Das Ruhepotential eines Neurons beträgt etwa -70 mV.

Voraussetzungen

• Das Gleichgewichtspotential für Na⁺ (E_Na) ist +60 mV.
• Das Gleichgewichtspotential für K⁺ (E_K) ist -90 mV.
• Die Permeabilität für Na⁺ und K⁺ wird durch P_Na bzw. P_K dargestellt.

Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung

Die Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung für das Membranpotential (V_m) lautet:

V_m = \frac{{P_{Na} \times E_{Na} + P_{K} \times E_{K}}}{{P_{Na} + P_{K}}}

Wenn wir die Permeabilität für Na⁺ um 10 % erhöhen, ergibt sich:

P'_{Na} = 1.1 \times P_{Na}

Die neue Gleichung für das Membranpotential lautet dann:

V'_m = \frac{{1.1 \times P_{Na} \times E_{Na} + P_{K} \times E_{K}}}{1.1 \times P_{Na} + P_{K}}

Setzen wir die Gleichgewichtspotentiale und gleiche Permeabilitäten P_Na = P_K = 1 an:

V'_m = \frac{{1.1 \times 60 + 1 \times (-90)}}{1.1 + 1}

Dies ergibt:

V'_m = \frac{{66 - 90}}{2.1} = \frac{-24}{2.1} \text{ mV}

V'_m ≈ -11.43 \text{ mV}

Schlussfolgerung:

Wenn 10 % mehr Na⁺-Ionen durch die Kanäle eintreten, verändert sich das Membranpotential auf etwa -11.43 mV.

c)

Erkläre, warum das Membranpotential während der Hyperpolarisation kurzzeitig unter das Ruhepotential fällt. Welche biophysikalischen Prozesse und Mechanismen sind dafür verantwortlich?

Lösung:

• Hyperpolarisation

Während der Hyperpolarisation fällt das Membranpotential kurzzeitig unter das Ruhepotential (etwa -70 mV). Dieser Prozess geschieht aus mehreren biophysikalischen Gründen, die mit der Aktivität von spannungsabhängigen Ionenkanälen und der Ionenverteilung über die Membran hinweg zusammenhängen.

• Rolle der spannungsabhängigen Kaliumkanäle

Während der Repolarisation öffnen sich die spannungsabhängigen Kaliumkanäle (K⁺-Kanäle), um K⁺-Ionen aus der Zelle zu befördern. Dies führt dazu, dass das Membranpotential wieder in Richtung des negativen Ruhepotentials zurückgeht.

Da diese Kanäle jedoch träge reagieren und langsamer schließen als die Natriumkanäle (Na⁺-Kanäle), ist der K⁺-Strom nach der Repolarisation weiterhin aktiv. Dies bewirkt, dass mehr K⁺-Ionen den intracellulären Raum verlassen, als es für das Erreichen des Ruhepotentials erforderlich ist, was zu einem Überschuss an negativen Ladungen führt und somit das Membranpotential unter das Ruhepotential fällt.

• Verzögerte Schließung der K⁺-Kanäle

Die verzögerte Schließung der K⁺-Kanäle ist ein weiterer wichtiger Faktor. Diese Kanäle sind noch einige Millisekunden nach dem Erreichen des Ruhepotentials geöffnet, was den kontinuierlichen Ausstrom von K⁺-Ionen fördert und die Membran hyperpolarisiert.

• Elektrochemisches Gleichgewicht und Ionenkonzentrationen

Die Ionen-Konzentrationen spielen ebenfalls eine Rolle. Nach der überschwelligen Depolarisation und Repolarisation strebt das System an, sein elektrochemisches Gleichgewicht wiederherzustellen. Da das Gleichgewichtspotential für K⁺ (E_K) bei etwa -90 mV liegt, nähert sich das Membranpotential vorübergehend diesem Wert, bis die K⁺-Kanäle vollständig geschlossen sind und die Na⁺-K⁺-Pumpe die Ionenverteilungen stabilisiert.

• Zusammenfassung

Während der Hyperpolarisation fällt das Membranpotential unter das Ruhepotential aufgrund:

• Der anhaltenden Aktivität der spannungsabhängigen K⁺-Kanäle nach der Repolarisation
• Der generellen Trägheit und der langsamen Schließung dieser Kanäle
• Der Verteilung der Ionen und dem Streben nach dem elektrochemischen Gleichgewicht

Diese Mechanismen stellen sicher, dass das Neuron nach einem Aktionspotential zurück in den Normalzustand gebracht wird und bereit ist, auf neue Reize zu reagieren.

d)

In einem Experiment wurden Neuronen mit einem Blocker für spannungsabhängige Na⁺-Kanäle behandelt. Beschreibe die erwarteten Veränderungen im Ablauf des Aktionspotentials und begründe Deine Antwort.

Lösung:

• Behandlung mit einem Blocker für spannungsabhängige Na⁺-Kanäle

In einem Experiment, bei dem Neuronen mit einem Blocker für spannungsabhängige Na⁺-Kanäle behandelt wurden, würde der Ablauf eines Aktionspotentials erheblich gestört werden. Hier sind die erwarteten Veränderungen und die entsprechenden Begründungen dafür:

• Depolarisation

Normalerweise bewirkt ein eingehendes Signal eine Öffnung der spannungsabhängigen Na⁺-Kanäle, was zu einem schnellen Einstrom von Na⁺-Ionen führt und somit zur Depolarisation der Zellmembran. Nachdem die Kanäle blockiert sind, können Na⁺-Ionen jedoch nicht in das Neuron einströmen. Daher wird die Depolarisation stark unterdrückt oder bleibt ganz aus.

Erwartete Änderung: Keine Depolarisation.Da die Na⁺-Kanäle blockiert sind, kann das Schwellenpotential (-55 mV) nicht erreicht werden, und infolgedessen wird kein Aktionspotential ausgelöst.

• Overshoot

Während eines normalen Aktionspotentials erreicht das Membranpotential durch den massiven Na⁺-Einstrom einen positiven Wert (Overshoot). Da der Einstrom der Na⁺-Ionen blockiert ist, wird diese Phase nicht stattfinden.

Erwartete Änderung: Kein Overshoot.Das Membranpotential bleibt negativ und nähert sich nicht dem positiven Bereich an.

• Repolarisation

Repolarisation wird normalerweise durch das Schließen der Na⁺-Kanäle und das Öffnen der K⁺-Kanäle erreicht, sodass K⁺-Ionen aus der Zelle ausströmen. Ohne vorherige Depolarisation und Overshoot gibt es hier jedoch keine signifikante Änderung. Die Spannungsabhängigkeit der K⁺-Kanäle wird ebenfalls nicht ausreichend aktiviert.

Erwartete Änderung: Keine normale Repolarisation.Ohne den vorherigen Na⁺-Einstrom bleibt das Membranpotential weitgehend unverändert.

• Hyperpolarisation

Hyperpolarisation tritt aufgrund des langsamen Schließens der K⁺-Kanäle nach Repolarisation auf. Da die Phasen der Depolarisation und Repolarisation bereits gestört sind und keine signifikante Änderung im Membranpotential auftritt, wird auch keine Hyperpolarisation beobachtet.

Erwartete Änderung: Keine Hyperpolarisation.Das Membranpotential bleibt nahe dem Ruhepotential, ohne signifikant unter das Ruhepotential zu fallen.

• Zusammenfassung
• Das Neuron wird kein typisches Aktionspotential erzeugen können.
• Die Phasen Depolarisation, Overshoot, Repolarisation und Hyperpolarisation werden nicht wie gewohnt ablaufen.
• Das Membranpotential bleibt nahe dem Ruhepotential, da der blockierte Na⁺-Einstrom die Kette der ereignisbasierten Membranpotentialänderungen unterbricht.

Insgesamt resultiert die Blockade der spannungsabhängigen Na⁺-Kanäle darin, dass das Neuron unfähig wird, ein Aktionspotential zu generieren und somit keine elektrischen Signale weiterleiten kann.