Die Nervenzelle, auch Neuron genannt, hat die Aufgabe, Signale aus unserer Umwelt oder aus dem Inneren des Körpers an unser Gehirn zu melden und von diesem Befehle entgegenzunehmen. Das alles geschieht über elektrische Impulse, der „Sprache" des Nervensystems. Synapsen übertragen diese Impulse auf andere Nervenfasern und Muskeln.

3.1

Beschrifte die Bestandteile 1-8 des Motoneurons in M 6.

8 BE

3.2

Erkläre zwei Vorteile markhaltiger Axone gegenüber marklosen Axonen auch unter Verwendung von M 7.

4 BE

3.3

Stelle zwei Hypothesen zu möglichen Symptomen des Karpaltunnelsyndroms auf (M 8).

4 BE

3.4

Stelle die Wirkungsweisen der beiden Neurotoxine aus M 9 in jeweils einer beschrifteten Skizze dar und leite mögliche Vergiftungserscheinungen beim Menschen ab (M 9).

8 BE

3.5

Erkläre die Folgen einer Palytoxinvergiftung für Membranpotenziale (M 10).

6 BE

M 6 – Wirbeltier-Motoneuron

Eine Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist in der Regel eine lang gestreckte Zelle. Sie gliedert sich in vier Funktionsabschnitte und bildet Verbindungen zu anderen Nerven-, Drüsen- oder Muskelzellen aus.

Abbildung 3: Struktur und Funktion eines Wirbeltier-Motoneurons

M 7 – Nervenfasern im Vergleich

Im Folgenden sind vier Nervenfasern aus dem Tierreich dargestellt, die alle dieselbe Leitungsgeschwindigkeit von Signalen aufweisen: das nicht myelinisierte Riesenaxon vom Gemeinen Kalmar (Loligo vulgaris), das durch sog. Myelinfenster teilweise myelinisierte Axon vom Gemeinen Regenwurm (Lumbricus terrestris) und die voll myelinisierten Axone vom Teichfrosch (Rana esculenta) bzw. der Hauskatze (Felis catus).

Abbildung 4: vier Nervenfasern im anatomischen Vergleich

M 8 – Das Karpaltunnelsyndrom

Bei dem Karpaltunnelsyndrom (KTS) handelt es sich um eine Einklemmung u.a. des Mittelhandnervs im Handgelenkstunnel (Karpaltunnel). Dieser Kanal für Nerv und Sehnen wird u-förmig von den Handwurzelknochen gebildet. Schwillt das Gewebe dort an, zum Beispiel durch eine Sehnenscheidenentzündung oder eine Verletzung, wird Druck auf motorische (efferente) und sensible (afferente) Nervenfasern ausgeübt und deren Funktion beeinträchtigt. Es kommt zum Karpaltunnelsyndrom. Dies führt zu einer Beeinträchtigung der Signalweiterleitung und somit zu einer Reihe verschiedener, unangenehmer Symptome.

M 9 – Neurotoxine

Das neurotoxisch wirkende Bakteriengift Botulinustoxin ist ein Protein und gehört zu den giftigsten Substanzen überhaupt. Es wirkt über eine Hemmung der synaptischen Neurotransmitterfreisetzung zwischen Nerven- und Muskelzelle, indem es eine Verschmelzung (Membranfusion) der Vesikelmembran mit der präsynaptischen Membran unterbindet.

Bei giftigen Pflanzeninhaltsstoffen handelt es sich um Alkaloide, Triterpen-Glykoside, cyanogene Glykoside und andere Giftstoffe. Als Beispiel sei das Alkaloid Atropin aus der Tollkirsche genannt, das als kompetitiver Inhibitor (Antagonist) an Acetylcholinrezeptoren fungiert.

M 10 – Gift aus dem Aquarium

In Meerwasseraquarien werden häufig Krustenanemonen gehalten. Sie ähneln in ihrem Erscheinungsbild Blumen, zählen aber wie Steinkorallen, Quallen oder der einheimische Süßwasserpolyp zu den Nesseltieren.

Wenn man im Umgang mit Krustenanemonen unvorsichtig ist, können sich Symptome wie Atemnot, Herzrasen, Fieber, Schüttelfrost, Husten, Übelkeit, Muskelkrämpfe, Taubheitsgefühle, geschwollene Hände oder Kopfschmerzen einstellen.

Das sogenannte Palytoxin ist dafür verantwortlich. Es kann bei Berührungen über die Haut aufgenommen werden. Manche Betroffenen berichteten, dass die Tiere ihnen das Gift regelrecht „entgegengespritzt" hätten. In anderen Fällen gelangte die Substanz über die Atemwege in den Organismus, als die Krustenanemonen zur Bestandsreduzierung mit kochendem Wasser übergossen wurden. Im Wasserdampf steigt dann das Toxin auf und kann noch in einigen Metern Entfernung eingeatmet werden.

Palytoxin bewirkt u. a. an der Axonmembran eine Konformationsänderung der Natrium-Kalium-Ionenpumpen, sodass diese zu einem passiven Ionenkanal für beide Ionen werden.

3.1

Bestandteile des Motoneurons (Beschriftung 1–8):

1 = Soma

2 = Dendriten

3 = Zellkern

4 = Mitochondrium

5 = Axonhügel

6 = synaptisches Endknöpfchen/Präsynapse

7 = synaptischer Spalt

8 = Neurotransmitter

3.2

Vorteile markhaltiger Axone gegenüber marklosen Axonen:

• bei gleicher Leitungsgeschwindigkeit enorme Material- und auch Platzeinsparung bei dünneren Axonen mit Myelin, wie z. B. der Katze 4 µm vs. 650 µm bei Loligo

• bei gleichbleibender Leistung ist durch Myelinhüllen (Katze, Frosch) eine energiesparende saltatorische Signalweiterleitung im Vergleich zur kontinuierlichen Signalweiterleitung ohne Myelinhülle (Loligo) möglich

3.3

Mögliche Symptome des Karpaltunnelsyndroms (Hypothesen):

• geringere Greifkraft durch die Beeinträchtigung der motorischen/efferenten Nerven, da diese für die Muskelkontraktion zuständig sind

• eine gestörte Empfindungsfähigkeit (Kribbeln, Taubheit) durch die Beeinträchtigung der sensiblen/afferenten Nerven, da diese Signale an das Gehirn weiterleiten, wo sie als Empfindungen verarbeitet werden

3.4

Wirkungsweisen der Neurotoxine und mögliche Vergiftungserscheinungen:

Skizzen zeigen (je 3 BE):

• Botox: Hemmung der synaptischen Neurotransmitterfreisetzung zwischen Nerven- und Muskelzelle

• Atropin: kompetitive Hemmung an den Acetylcholinrezeptoren

• beide Neurotoxine wirken schädigend auf das Nervensystem, die Atmung kann bei Tieren auf unterschiedlichen Wegen durch eine synaptische Übertragungsstörung gelähmt werden → Tod

3.5

Folgen einer Palytoxinvergiftung für Membranpotenziale:

• Ausgangspunkt: Na-K-Ionenpumpe ist notwendig für die Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials, da sie Natrium-Ionen aus der Zelle heraustransportiert → dadurch Konzentration der Natrium-Ionen außen hoch, Kalium-Ionen strömen passiv nach außen, Chlorid-Ionen strömen passiv nach innen → elektrisches Potenzial/Spannung liegt an = Ruhepotenzial

• durch Palytoxin wird die Pumpleistung wie folgt verändert: statt drei Natrium-Ionen aus der Zelle und zwei Kalium-Ionen in die Zelle zu pumpen, wird das Membranprotein zum passiven Ionenkanal, durch den sich die ungleiche Ionenverteilung angleicht → fehlende Ungleichverteilung bewirkt eine Störung des elektrischen Potenzials → keine Signalweiterleitung möglich, da weder Ruhe- noch Aktionspotenziale aufrechterhalten werden können