Vorlesung Biologische PsychologieC. Kaernbach

Literatur: Schandry, Kapitel 3-5Vertiefung:

– Kandel, Schwartz, Jessell: Principles of Neural Sciences– Wikipedia: empfohlen bzw. bei weiterführendem Interesse

Nervenzellen

• 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“)– Zellkern Doppelmembran:

– Mitochondrien zwei Doppellipidschichten

– weitere „Organellen“ (membranumgeben)

Aufbau einer Zelle

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“

• Chromosomen Mitose Meiose Zellzyklus

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

• Golgi-Apparat– Stapel membranbegrenzter

Hohlräume– 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

andere Organellen

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 Lipiden

und Hormonen– Lumen: Calcium-Speicher (103mol/l, Cytosol: 107mol/l),

wichtig für Signaltransduktion

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

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

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

Neuronentypen

• Klassifikationen nach– äußerer Form

• Pyramidenzellen, Sternzellen, ...

– Neurotransmitter• cholinerg, adrenerg,

gabaerg, ...

– Richtung• afferent, efferent

– Funktion• sensorisch, motorisch, Interneuron

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

Myelinscheiden

• Peripherie: Schwann-Zellen– jeweils nur eine Myelinscheide pro Zelle– Stützfunktion (ohne Scheide)

auch für mehrere Zellen

• ZNS: Oligodrendrozyten – weiße Substanz

• Demyelinisierungserkrankung– Multiple Sklerose

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

?

• 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

Spezialfall Ionen

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

Bilanz:außen positivinnen negativ

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 IonenE = (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

MembranpotentialIon cinnen

mmol/lcaußen

mmol/lVerhältnis Potential

mV

Na+ 7-11 144 1:16 +72

K+ 120-155 4-5 33:1 -91

Ca2+ 105-104 2 1:100000 +150

Cl 4-7 120 1:20 -78

Proteine 155 5 31:1

• Membranpotential dominiert von K+-Ionen– Natriumleckströme reduzieren das Membranpotential

• Permeabilität für Na+ zwar gering, aber Membranpotential weit von Na+-Gleichgewichtspotential

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...

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

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?

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

Saltatorische Erregungsleitung

• Markhaltige Nervenfaser (myelinisiert)– Markscheide aus Myelin

isoliert die Zelle• verbessert elektrotonische

Leitung: 0,1mm ⇨ 5 mm

– alle 1-2 mm:Ranvierscher Schnürring

• Aktionspotential erreicht amnächsten Schnürring Schwelle

– 100-180 m/s – nicht pränatal

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?

Frequenzkodierung

Axonhügel

• Ursprungsstelle des Axons am Soma

• Einsetzen spannungsabhängiger Na+-Kanäle

• noch nicht von Myelin umhüllt

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)

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

„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

• 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)

Chemische Synapsen

Rezeptoren

• Typ-I-Rezeptor– ligandengesteuerter Ionenkanal– ionotroper (direkter) Rezeptor– schnell

• Typ-II-Rezeptor – G-Protein-gekoppelter Ionenkanal– metabotroper

(indirekter) Rezeptor

– flexibel

Neurotransmitter

• 1000 Sorten– Acetylcholin– Katecholamine

• Dopamin• Adrenalin Monoamine• Noradrenalin

– Serotonin– Aminosäuren als Neurotransmitter

• Glutamat• GABA• Glycin

– Neuropeptide (Peptidhormone)• Neuropetid Y, ACTH, Substanz P, Endorphine, ...

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“

Katecholamine

• Katecholring

• Biosynthese aus der proteinogenen Aminosäure Tyrosin– L-DOPA

• nicht-proteinogene Aminosäure– Dopamin

• Amin– Noradrenalin– Adrenalin

• Wiederaufnahme, (Abbau)

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

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

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

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)

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)

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

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

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)

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“

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)

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)

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

Hemmung

• präsynaptische Hemmung

• laterale Hemmung zurKontrastverschärfung