Lernzettel GK NRW - Neurobiologie, Abiturprüfungen von Biologie

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Neurobiologie Name: Jana Buljan Klasse: Go21a 1 Inhalte/Themen für die mündliche Prüfung im Fach Biologie Kurshalbiahr 13.2 Neurobiologie: o Steuerung und Regulationsvorgänge ▪ Reiz-Reaktions-Schema ▪ Reflex und bewusste Handlungen o Das Neuron ▪ Ein Nerv (Beschreibung) ▪ Bau einer Nervenzelle und Aufgaben der einzelnen Bestandteile o Tierische Elektrizität o Die Entstehung eines Aktionspotentials o Die Ionenverteilung im Ruhepotential o Ruhepotential: Eigenschaften o Zusammenfassung Neurobiologie Name: Jana Buljan Klasse: Go21a 2 Reflex und bewusste Handlung (Reiz-Reaktion) Auf welche beiden Arten kann ein Mensch auf Reize reagieren? - Unbewusst, durch Reaktion - Bewusst, durch willkürliche Handlungen Reiz-Reaktions-Schema Reflex und bewusste Handlungen Reflex: - Ist eine automatische Reaktion, ohne bewusste Entscheidungen - Eine bestimmte Handlung wird ausgelöst - Angeboren und lebensnotwendig - Ausgelöst durch einen Reiz (Schutzfunktion des Körpers) - Muss nicht erlernt werden (=von Geburt an da) Beispiele: - Lidreflex, Atemreflex, Schlucken, Niesen, Handgreifreflex - (Bei berühren einer heißen Herdplatte die Hand wegziehen) Bewusste Handlungen: - Reaktion auf bewusste erlebte Vorgänge - Nicht automatisch - Durch den Willen gesteuert Beispiel: Reiz bewusste Handlung Langeweile aufstehen und ein Buch holen Schmerzen an der Kühlakku holen und auf die Hand, durch das verbrannte Stelle halten Berühren einer Herdplatte Neurobiologie Name: Jana Buljan Klasse: Go21a 5 Die Entstehung eines Aktionspotentials Einleitung: Die y-Achse in Abhängigkeit zur x-Achse. Dargestellt wird das Membranpotential (mV) in Abhängigkeit zur Zeit (ms). • In dieser Grafik ist die Entstehung des Aktionspotentials dargestellt, ein Prozess in den Nervenzellen, auch als Neuronen bekannt. • Vor dem Reiz ist das Membranpotential stabil bei etwa -70 mV. Die Zelle ist polarisiert, wobei das Innere negativ im Vergleich zum Außen ist. • Trifft ein Reiz ein und ist stark genug, überschreitet das Membranpotential die Schwellenspannung und es führt zu einer raschen Depolarisation. Die Natriumkanäle öffnen sich und die Natrium-Ionen strömen in die Zelle ein. Das Membranpotential steigt also und wird positiv und liegt bei +30 mV. • Danach schließen sich die Natriumkanäle wieder, und spannungsabhängige Kaliumkanäle öffnen sich. Sie strömen aus der Zelle, wodurch das Membranpotential wieder sinkt. Vorübergehend fällt das Membranpotential wieder unter das Ruhepotential, weil Kaliumkanäle langsam geschlossen werden. Die Zelle ist kurzzeitig negativ und wird als Hyperpolarisation, welche bei -90 mV liegen, bezeichnet. • Durch die aktive Natrium-Kalium-Pumpe und den Schließvorgang der Kaliumkanäle kehrt das Membranpotential zum Ruhepotential zurück. Es ermöglicht die schnelle Weiterleitung von Signalen entlang der Nervenfasern Entstehung: 1. Ruhemembranpotential: ▪ Zelle im Ruhezustand ▪ Ladung bei ca. -70mV ▪ Na+ & K+ -Kanäle geschlossen 2. Schwellenpotential: ▪ Reiz an Zelle ▪ Reiz stark genug —> Schwellenpotential von -50mV - Öffnung weiterer Na+ -Kanäle - Aktionspotential ausgelöst ▪ Reiz zu schwach —> Rückbildung Erregung —> kein Aktionspotential ausgelöst 3. Depolarisation ▪ Schnelle Einströmung von Na+ ▪ Zellinnere positiv 4. Repolarisation ▪ Na+ -Kanäle wieder geschlossen ▪ K+ -Kanäle geöffnet —> -Ausstrom ▪ Zellinnere negativer 5. Hyperpolarisation ▪ K+ -Kanäle wieder geschlossen ▪ Schließungsdauer = 1-2ms - Ausstrom weiterer K+ -Ionen ➢ Membran negativer als Ruhepotential ▪ Zelle kurz nicht erregbar (relative Refraktärzeit) 6. Wiederherstellung des Ruhepotentials ▪ Ruhepotential durch Na+/K+ -Pumpe wieder hergestellt Neurobiologie Name: Jana Buljan Klasse: Go21a 6 Die Ionenverteilung im Ruhepotential Die elektrische Spannung im Inneren der Nervenzelle, die im Ruhezustand gegen das Außenmedium mit etwa -70mV gemessen werden kann, wird durch eine für bestimmte Stoffe (=Ionen) unterschiedlich durchlässige Zellmembran gewährleistet. Die beteiligten Ionen haben dabei unterschiedliche Funktion (siehe Kurzbeschreibungen unten). In der Membran befinden sich Kanäle für einige der lonen. Kalium-lonenkanäle lassen nur die Kalium-lonen durch. Die Chlorid-lonenkanäle sind wie die Natrium-lonenkanäle bei -70mV geschlossen. Durch sogenannte Leckströme können einige Natrium-lonen nach innen gelangen. Dadurch wird das Ruhepotenzial gefährdet. Die Natrium-Kalium-Pumpe pumpt daher ständig Natrium-Ionen, im Tausch gegen Kalium-lonen, zurück. Chlorid-Ionen: ▪ befinden sich fast nur außen ▪ können bei -70mV nicht durch die Membran Natrium-Ionen: ▪ befinden sich fast nur außen ▪ können bei -70mV nicht durch die Membran bei -70 mV Organische Anionen: ▪ sind große, geladene Moleküle ▪ können nicht durch die Membran ▪ befinden sich in großer Zahl nur im Inneren Kalium-Ionen: ▪ können immer frei durch die Membran. ▪ Durch die Ungleichverteilung der Ladungen (viele Natrium-Ionen außen, viel organische, negative lonen im Inneren) werden die positiven Kalium-lonen von innen angezogen; aber aufgrund der unterschiedlichen Konzentration der Kalium-Ionen innen und außen stellt sich ein Gleichgewicht (eben bei -70 mV) ein. Neurobiologie Name: Jana Buljan Klasse: Go21a 7 Ruhepotential: Eigenschaften ▪ Negative Potential einer unerregten Nervenzelle (ca. -70mV <— Potential Differenz/Spannung) Vorraussetzungen: ▪ Charakteristische Verteilung von Ionen innerhalb & außerhalb des Neurons (für Kalium, Natrium, Chlorid Ionen besteht ein Konzentrationsgefälle) ➢ Für Kalium nach außen ➢ Für Natrium & Chlorid nach innen ▪ Selektive Permeabilität der Nervenzellmembran: unterschiedlich durchlässig ▪ Ionenkanäle (Tunnelproteine) lassen nur eine Sorte Ionen passieren ➢ Kalium Kanal > offen, Durchlässigkeit / Permeabilität hoch ➢ Natrium Kanal > fast alle zu, Durchlässigkeit sehr gering ➢ Anionen Kanal > nicht vorhanden Entstehung: - Ungleichmäßige Verteilung von Ionen an der Nervenzellmembran (außen: Na+, Cl-; innen: K+, A-) - Hohe Konzentrationsunterschiede von K+ und Na+ (chemischer Gradient) sowie unterschiedliche Permeabilität der Membran für diese Ionen bewirken eine unterschiedliche Diffusion der Ionen durch die Membran - Membran fast ausschließlich für K+ durchlässig (hohe Permeabilität aufgrund hoher Anzahl von Ionenkanäle) - K+ diffundieren entlang ihres Gefälles in den extrazellulären Raum - Hoher K+ -Ausstrom bei gleichzeitigem Verbleib der negativ geladenen organischen Anionen im Zellplasma führt zur Ausbildung eines elektrischen Feldes über der Membran (chemischer Gradient) - Extrazellulärer Raum positiv geladen; Zellplasma negativ geladen - Potentialdifferenz(=Spannungsdifferenz) beträgt ca. -90mV (K+ -Gleichgewichtspotential) - Schwache Permeabilität der Membran für Na+; hat geringen Na+ -Einstrom zur Folge (Na+ -Leckstrom) - Als Ausgleich strömen K+ vermehrt in den extrazellulären Raum - Na+ / K+ -lonenpumpe verhindert den dadurch drohenden Konzentrationsausgleich der das Membranpotential auf Null sinken lassen würde - Aktiver Transport von Na+ und K+ im Verhältnis 3:2 (3 Na+ nach außen; 2 K+ nach innen) - Aufrechterhaltung eines stabilen Membranpotentials am unterredetet Nerv - Ruhepotential = -70mV