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Einführung in die Biomedizinische TechnikVorlesungsteil „Neurochemie/-biologie“Prof. Dr. H. Stachelberger Institut f. Verfahrenstechnik, Umwelttechnik & Techn. Biowissenschaften E166
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Einführung in die Biomedizinische Technik
Vorlesungsteil„Neurochemie/-biologie“
Prof. Dr. H. StachelbergerInstitut f. Verfahrenstechnik, Umwelttechnik
& Techn. Biowissenschaften [email protected]
Protostomier Deuterostomier
Mollusca Arthropoda
Annelida
Nemathelminthes
Plathelminthes
Bilateria
Coelenterata
Porifera
Metazoa
Chordata
Echinodermata
CiliataFlagellata
Sporozoa RhizopodaProtozoa
Eukaryonten
ProkaryontenBakterien, Blaualgen
Soma-Keimbahn-Differenzierung (fortpflanzungsfähige Zellen schwarz)
bei den Volvocales
(a) Eudorina elegans: Alle 32 Zellen des Verbandes sind gleichwertig und totipotent.
(b) Pleodorina illinoisiensis: Vier Zellen am Vorderpol sind somatisch.(c) Pl. californiensis: Die vordere Hälfte des Verbandes besteht nur aus
fortpflanzungsunfähigen Somazellen.(d) Volvox globator: In dem überwiegend somatischen Zellverband liegen nur
einzelne Keimzellen.[Czihak, G., H. Langer u. H. Ziegler: Biologie. Springer 1981. Abb. 3.2a-d, S. 230]
• Ei• Juvenil- oder Larvenstadien• Adultstadien• Altersstadien
Entwicklungsphasenund -formen
• Zellvermehrung• Zelldifferenzierung• Wachstum• Regulationen• Regression
Entwicklungsphänomene
Prinzipschema der Sonderung von Keimbahn(= 1, Urkeimzellen und Gameten rot) und Soma (undifferenzierte Zellen weiß, differenzierte Zelltypen in verschiedenen Mustern) im Lauf der ersten Furchungsteilungen (I-V) bei einem Metazoenembryo
[Czihak, G., H. Langer u. H. Ziegler: Biologie. Springer 1981. Abb. 3.5, S. 231]
Das Leben ist gekennzeichnet durch eine spezifische,
räumlich-zeitliche Ordnung.Voraussetzung dafür ist die
koordinierte Funktion typischer Strukturen.
Für die Koordination von Organsystemen innerhalb
eines Organismus, der sich nur langsam an wechselnde
Bedingungen seiner Umgebung anpassen muss, genügt meist eine Steuerung mit Hilfe von
Hormonen (humorale Integration)
Auch für die Steuerung der Entwicklungsphasen während
der Individualentwicklung (Ontogenie) eines Lebewesens
haben Hormone eine herausragende Bedeutung.
Höchste Integrationsleistungen sind dagegen bei höher differenzierten Tieren
verwirklicht, die zusätzlich zu dem (langsamen) hormonalen
ein (schnelles) nervöses Steuerungssystem besitzen
(neuronale Integration).
Nerven- oder
Ganglienzellen (Neuronen)
nehmen Informationen auf,
speichern und verarbeiten
sie.
AxonMarkscheide
DendritMitochondrion
ZellkernNucleolus
Synapse
Dendrit einer anderen Nervenzelle
Schema einer Nervenzelle aus
dem Rückenmark des Menschen
[Jatzkewitz, H.: Neurochemie. Thieme 1978. Abb. 6, S. 12]
Der Zellkörper (Perikaryon) hat 1, 2 oder viele Fortsätze uni-, bi-,
multipolare Nervenzellen.
Die meist kurzen, dicken, stark verzweigten Fortsätze (Dendriten) führen dem Perikaryon die Erregungen zu und
ein sehr langer (Nervenfaser, Neurit, Axon) leitet sie weiter.
Stufen der Evolution des Nervensystems
Ein-Neuronen-System
Zwei-Neuronen-System
Drei-Neuronen-System
sensorisches Neuron
Muskelzelle motorisches Neuron
motorisches Neuron(Motoneuron)
vermittelndes Neuron
(Interneuron)sensor. Neuron
[Nauta, W.J.H., & M. Feirtag: Neuroanatomie. Spektrum, Heidelberg 1990. S. 21, Abb. 1.5]
Zwei-Neuronen-System mit
reizaufnehmenden Neuronen (Sz) und
motorischen Neuronen (Nz) im Zwischenraum der beiden Zelllagen.
Längsschnitt durch einen Polypen bestehend aus Ektoderm und Entoderm
[Scharf, K.-H., u. W. Weber: Fortpflanzung u. Entwicklung. Schroedel 1980. Abb. 35.2, S. 35]
Riechzelle (Wirbeltier)
Dehnungs-rezeptor (Krebs)
Hautsinnes-zelle (Wirbeltier)
Hörzelle (Wirbeltier)
Sensorische Neuronen, schematisch
[Libbert, E.: Allgemeine Biologie. UTB Gustav Fischer 1991. Abb. 6.10, S. 256]
Bei den bilateralen Tieren kommt es im vorderen Bereich im Zusammenhang
mit den dort entstehenden großen Sinnesorganen zur besonderen
Konzentrierung von Nervengewebe (Cephalisation); das Gehirn erhält
übergeordnete, zentrale Steuerfunktion.
Großhirn
Hirnstamm
Kleinhirnsphäre
C
Das 5-Bläschen-Stadium (A) als Grundbauplan des Amphibien- (B) und menschlichen (C) Gehirns
Endhirn
Zwischenhirn
Mittelhirn
Kleinhirn
VerlängertesMark
Rücken-mark
A
Riechnerv
Vorderhirn
Zwischenhirn m. Zirbeldrüse
Mittelhirn
Kleinhirn
Verlängertes Markmit Hirnnerven
Rückenmark(abgeschnitten)
Rauten-grube
B
[Jatzkewitz, H.: Neurochemie. Thieme 1978. Abb. 1, S. 2]
Schematische Darstellung des Zentralnervensystems (ZNS)
Großhirnrinde(Neocortex)
Hippocampus
vorderes Vierhügelpaarhinteres Vierhügelpaar
Kleinhirn (Cerebellum)
RiechfeldMandelkern
Hypophysen-vorderlappenHirnanhangdrüse
(Hypophyse)
Hypophysen-hinterlappen
Rückenmark
Hinterhirn
Mittelhirn
Thalamus
(Globus pallidus)
Scheide-wand
(Septum)
Hypo-thalamus
Streifen-körper
bleicher KörperSchale d. Linsenkerns u. Schweifkern
[Nauta, W.J.H., & M. Feirtag: Die Architektur d. Gehirns. In „Gehirn u. Nervensystem“. Spektrum, Heidelberg 1984. Abb. 5, S. 94]
Das zentrale und periphere Nervensystem und seine
Anordnung und Lokalisation im Körper
[Jatzkewitz, H.: Neurochemie. Thieme 1978. Abb. 3, S. 7]
Rückenmark
weißeSubstanz
Nerv
sensibleNervenfaser
motorischeNervenfaser
graueSubstanz
Vorderhorn
Hinterhorn
Muskel
Endplatte
Haut
Die Elemente des peripheren Nervensystems
[Jatzkewitz, H.: Neurochemie. Thieme 1978. Abb. 5, S. 11]
Hormonale und neuronale
Steuerung sind miteinander in
vielfältiger Weise verknüpft.
Prinzipien der hormonalen Steuerung
Hypophyse
Hoden Ovar Schilddrüse PankreasNebenniereCortexMedulla
nervöseEinflüsseHypothalamus
Wachstumshormon
Testosteron ÖstrogenProgesteron
Thyroxin
ParathormonCalcitonin Corticosteroide
Adrenalin, Noradrenalin
InsulinGlukagon
VasopressinOxytocin
ACTH
TSHPRLLHFSH
TRFLRFFRFGIFGRF
Der hierarchische Aufbau des Hormonsystems
[v. Sengbusch, P.: Molekular- u. Zellbiologie. Springer 1979. Abb. 55.1, S. 519]
Die molekularen Mechanismen
führen zu Effekten, die für
jedes Hormon und das
reagierende Gewebe
spezifisch sind.
Wirkungsweise von Peptidhormonen
[Libbert, E.: Allgemeine Biologie. UTB Gustav Fischer 1991. Abb. 6.9, S. 252]
A generic signalling pathway
Downward, J.: The ins and outs of signalling. Nature 411, 759-762 (2001)
Prinzipien der neuronalen Steuerung
Erregbarkeit ist eine Grundeigenschaft der lebenden Systeme, auf
bestimmte Umwelteinflüsse (Reize) mit vorübergehenden Veränderungen zu reagieren.
Charakteristisch für Neuronen
ist eine Änderung des
Transmembranpotentials
(elektrisches Potential
zwischen der Innenseite der
Plasmamembran und der
Zelloberfläche).
Fortleitung der Erregunga) Kontinuierlich an markarmen Fasern
außenMembran
Membranaußen
+ + + + + + + + + + + + + + + ++
+ + + + + + + + + + + + + + + + +++ + + +
+ + + +Zone im
Refraktärstadiumerregte Zone innen
Fortpflanzungsrichtung der Erregung
b) saltatorisch an markhaltigen Fasern[Libbert, E.: Allgemeine Biologie. UTB Gustav Fischer 1991. Abb. 6.15, S. 263]
Schnürring im Refraktärstadium erregter Schnürring
Markscheide
Axon
++
++
++++----++
++
------
--
Intrazellulär abgeleitete Aktionspotentiale
Purkinje-Faser(Hundeherz)
Elektroplax(Zitteraal Electrophorus)
Riesenaxon(Kopffüßer Sepia)
0 5 10 0 5 10 ms
0 5 0 100 200 300 400 500 ms
mV40
0
- 40
- 80
- 80
- 40
0
40
Skelettmuskelfaser(M. saltorius v. Frosch)
[Libbert, E.: Allgemeine Biologie. UTB Gustav Fischer 1991. Abb. 6.12, S. 258]
Nervengewebe
Motoneuron mit zahlreichen synaptischen Endknöpfen, schematisch
Einzelnes Endknöpfchen
(Synapse).
Axon mit Markscheide, Querschnitt
K
A
D
RSMS
aaS
asS
pFM
pBpM
sM Ss
K
SZMSA
[Libbert, E.: Allgemeine Biologie. UTB Gustav Fischer 1991. Abb. 6.6, S. 242]
Mechanismus der Transmitterfreisetzung an einer präsynaptischen Endigung
[aus Klinke/Silbernagl: Lehrbuch der Physiologie. Thieme 1994. Abb. 5.3; S.63]
Acetylcholin
Serotonin
Struktur zweier wichtiger Neurotransmitter
[Nauta, W.J.H., & M. Feirtag: Neuroanatomie. Spektrum, Heidelberg 1990. S. 37-39]
Schematische Darstellung des vesikulären (axonalen) Transports im Axon einer Nervenzelle
Mitochondrium
Golgi-Apparat
Vesikel Mikrotubulussynaptische Endigung
Lysosom
Zellkörper
Axon multivesikuläresKörperchen
Kern
RER
[Allen, R.D., & D.G. Weiss: Mikrotubuli als intrazelluläres Transportsystem. Spektrum d. WissenschaftenApril 4/1987, S. 76-85, Abb. 5]
Video-enhanced contrast microscopy of taxol-stabilized microtubules from bovine brain and highly purified peroxisomes from rat liver. – a. Binding of isolated peroxisomes to microtubules in vitro is extremely avid. Note the decoration of microtubules by peroxisomes along their entire length. – b. Treatment of isolated peroxisomes with proteinase K (0.33 mg/ml) leads to the loss of binding capacity. [aus Schrader et al.: European Journal of Cell Biology 69 (1996) 24-35; Abb. 10]
Videomikroskopie von Taxol-stabilisierten Mikrotubuli und Peroxisomen
1 μm
[Coleman M, Bendall K, Keeping your nerves in order, New Scientist 187 (2005) 2514, 31-33]
Dendritenmotorische
Moleküle
MikrotubuliVesikel
Mitochondrien
Problemfelder der modernen Neurowissenschaft
1. Die Entwicklung neuronaler Leistungen im frühen Kindesalter sowie deren Störungen
2. Lernprozesse und Mechanismen der Gedächtnisbildung
3. Wiederherstellung neuronaler Gewebe nach mechanischen Verletzungen (Regeneration)
4. Behandlung von Depressionszuständen5. Neurodegeneration (Alterungsprozesse)
ad 1. Die altersabhängige Entwicklung
neuronaler Leistungen
[Nash, J.M.: Fertile Minds. Time, Feb 10, 1997, pp. 54-62]
Anteil der Organe des Menschen am Grundumsatz
Organ O2-Verbrauch
Mol/Tag
% des Ruhestoffwechsels
Leber u. SplanchnicusgebietGehirnHerzNiereSkelettmuskelRest
4411,62,82,6
2525
6101816
Gesamt 16 100[Bäßler/Fekl/Lang: Grundbegriffe d. Ernährungslehre. Springer 1979. S. 28]
[Nash, J.M.: Fertile Minds. Time, Feb 10, 1997, pp. 54-62]
[Nash, J.M.: Fertile Minds. Time, Feb 10, 1997, pp. 54-62]
[Nash, J.M.: Fertile Minds. Time, Feb 10, 1997, pp. 54-62]
ad 1.Störungen dieser Entwicklung
Beispiele:
Synophthalmie (Cyclopie)
Autismus (?)
Dyslexie (?)
Synophthalmie (Cyclopie)Die Augenanlagen sind fusioniert. Es bestehen zusätzlich schwere Defekte, die auf die zugrunde liegende Schädigung der “Mittellinienstrukturen”des Neuralrohres zurückgehen.
[aus SADLER: Medizinische Embryologie, Thieme 1998, S. 377]
MEDULLACEREBELLUM
SUPERIOR OLIVE
FACIAL NUCLEUS
HYPOGLOSSAL NUCLEUS
NORMAL BRAINSTEM
BRAIN STEM OFPERSON WITH AUTISM
Zur möglichen Ursache des Autismus
[Rodier, P. M.: The early origins of autism. Scientific American 282 (Feb. 2000) 2, 38-45]
During reading, persistently poor readers (right) use similar brain areas to normal subjects (left), most notably in the back of the brain (bottom of images),
although with markedly less success. Dyslexics who have to some extent overcome their disability (middle) show a different pattern of activity.
Dyslexia: Lost for words
Thanks in part to brain-imaging technology, researchers are now homing in on the root cause of dyslexia. But research into strategies for treating the condition is still in its infancy
Nature 425, 340 - 342 (25 September 2003); doi:10.1038/425340a
ad 2.Lernprozesse und Gedächtnisbildung
Klassen von Lernvorgängen:
• Gewöhnung (Habituation)• Prägung• Ausbildung bedingter Reflexe • Instrumentelle oder operative
Konditionierung • Lernen durch Nachahmung • Lernen durch Einsicht
Ausbildung eines bedingten Reflexes
a Unbedingter Speichelreflex
b Optischer Reiz bleibt unbeantwortet
c Ausprägung des bedingten Reflexes
d Bedingter Speichelreflex
[Libbert, E.: Allgemeine Biologie. UTB Gustav Fischer 1991. Abb. 6.18, S. 267]
• Kurzzeitgedächtnis (KZG)• Langzeitgedächtnis (LZG)• Mittelzeitgedächtnis (??)• sensorische Gedächtnis (??)
Formen des Gedächtnisses (mit unterschiedlichen
Mechanismen)
Signs of learning – Demonstration of brain activity alteration in the course of learning by means of Positron Emission
Tomography (PET).
By imaging the brains of human subjects as they learned to trace a maze with a pen, theresearchers were able to see activity shifts in different brain regions as different elements of learning the skill came to the fore – such as reducing pauses and errors, then doing the taskfaster. From the first (left) to the sixth (right) maze-learning trial, activity in right pre-motorcortex (1) and parietal areas (3, 4) drops, while supplementary motor area (2) and primary motor cortex (6) activity increase.
[Barinaga, M.: The Anatomy of Learning. Science 274 (1996) 5293, pp. 1612-0]
ad 3.Regeneration von Nervengewebe nach
mechanischen Verletzungen
Von den aus der Wirbelsäule austretenden peripheren Nerven werden die Körperfunktionen gesteuert. Störungen in distinkten Bereichen der Wirbelsäule (z.B. Bandscheibendefekte) führen zu einer Beeinträchtigung der zugehörigen Körperfunktionen.
[McDonald, J. W.: Repairing the damaged spinal cord. Scientific American 281 (Sept. 1999) 3, 54-63]
Disinhibition with anti-inhibitory antibodies
Peripheral nerve bridge graft
Schwann cells or other normal cells
Train of target-type minigrafts
Chemical trail of neurotrophic factor
Grafting genetically engineered trophicfactor-secreting cells or local gene transfer
Induction of endogenous trophic factor production
Artificial bridges
AxonalOrigin
DamageZone
Distance to be covered Target
Schwann cellsbasal membrane
tube
[Olson, L.: Nature Medicine 3 (1997) 12, 1329-1335]
ad 4.Das Drogenproblem und die
Behandlung von Depressionszuständen
[Nash, J.M.: Addicted. Time, May 26/1997, pp. 46-52]
[Nash, J.M.: Addicted. Time, May 26/1997, pp. 46-52]
[Nash, J.M.: Addicted. Time, May 26/1997, pp. 46-52]
[Gorman, Ch.: Anatomy of melancholy. Time 149 (1997) 19, 45]
Mit Hilfe von PET-Imaging kann gezeigt werden, dass bei erblicher Depression eine Veränderung der Gehirnstruktur einhergeht.
[Lemonick, M.D.: The Mood Molecule. Time, Sept. 29/1997, pp. 54-63]
Elavil
Paxil
Prozac
Zoloft
[Lemonick, M.D.: The Mood Molecule. Time, Sept. 29/1997, pp. 54-63]
ad 5.Neurodegeneration (Alterungsprozesse)
[Geary, J.: A Trip Down Memory‘s Lanes. Time, May 5/1997. pp. 40-47]
In Alzheimer‘s patients cell adhesion molecules break down while the beta amyloid proteinbuilds up. Synapses become tangled and clogged, unable to receive or transmit messages. Drugs like tacrine and aricept work by boosting the levels of neurotransmitters – and thesensitivity of their receptors – in the brain. This allows some biochemical messengers to break through the wall of plaques to reach the receiving synapse.
Effects of Purifying and Adaptive Selection on Regional Variation in Human mtDNA
Science, Volume 303, Number 5655, Issue of 9 Jan 2004, pp. 223-226
Eduardo Ruiz-Pesini,1 Dan Mishmar,1 Martin Brandon,1,2 Vincent Procaccio,1 Douglas C. Wallace1*
A phylogenetic analysis of 1125 global human mitochondrial DNA (mtDNA) sequences permitted positioning of all nucleotide substitutions according to their order of occurrence. The relative frequency and amino acid conservationof internal branch replacement mutations was found to increase from tropicalAfrica to temperate Europe and arctic northeastern Siberia. Particularly highlyconserved amino acid substitutions were found at the roots of multiplemtDNA lineages from higher latitudes. These same lineages correlate withincreased propensity for energy deficiency diseases as well as longevity. Thus, specific mtDNA replacement mutations permitted our ancestors to adapt to more northern climates, and these same variants are influencing ourhealth today.
1 Center for Molecular and Mitochondrial Medicine and Genetics, University of California, Irvine, CA 92697-3940, USA.
2 Information & Computer Science, Institute for Genomics & Bioinformatics, University of California, Irvine, CA 92697-3425, USA.
• Durch Anhäufung und Ablagerung von Amyloid beta-peptid(A-beta) im Gehirn, entstehen die für die Alzheimerkrankheit charakteristischen Plaques.
• Durch diese Verklumpungen sterben wichtige Nervenzellen ab und das Gedächtnis sowie andere Hirnleistungen lassen stark nach.
• Das Protein BACE1 hat eine entscheidende Bedeutung bei der Entstehung von Alzheimer.
• BACE1 schneidet zusammen mit einer anderen Proteaseaus einem Vorläuferprotein das Amyloid beta-peptid (A-beta) heraus.
Ein möglicher Therapieansatz für die Behandlung der Alzheimerkrankheit wäre eine Reduzierung des Proteins BACE1, sodass A-beta gar nicht erst entsteht.
Die Forscher um Prof. Dr. Christian Haassund Dr. Michael Willem von der Ludwig-Maximilian-Universität in München entdeckten zusammen mit ihren Kollegen vom Max-Delbrück-Centrum in Berlin, dass BACE1 notwendig für die Bildung der so genannten Myelinscheide ist.
Diese Myelinscheide isoliert die Nervenfasern, sodass Signale schnell entlang der Faser weitergeleitet werden können.
"Control of Peripheral Nerve Myelination by the β-Secretase BACE1", Willem M, Garratt AN, Novak B, Citron M, Kaufmann St, Rittger A, Saftig P, DeStrooper B, Birchmeier C and Haass Ch, Sciencexpress/ 21.09.2006/www.sciencexpress.org/10.11626/science.1132341
Nervenfortsätze sind von einer dicken Myelinschicht umgeben (A und B). Ohne das Enzym BACE ist diese wichtige Hülle erheblich reduziert (C und D).
Nervenfortsätze im Querschnitt
Eine Therapie der Alzheimerkrankheit durch die Reduzierung von BACE1 wäre ein viel versprechender Ansatz.
Möglich wird er, weil die Bildung der Myelinscheidewährend eines kurzen Zeitraums nach der Geburt stattfindet.
Bei Erwachsenen ist dieser Vorgang weitgehend abgeschlossen und BACE1 könnte reduziert werden.
(New York, New York, September 18, 2006) – A new study directed by Mount Sinai School of Medicine has found that moderate red wine consumption in a form of Cabernet Sauvignon may help reduce the incidence of Alzheimer’s Disease (AD). The study entitled “ Moderate Consumption of Cabernet Sauvignon Attenuates β-amyloid Neuropathology in a Mouse Model of Alzheimer’s Disease” is in press, and will be published in the November 2006 issue of The FASEB Journal. The breakthrough study will also be presented at the “Society for Neuroscience Meeting” held in Atlanta, Georgia, October 14-18, 2006.“