Aufgabe 3 – Ausgewählte Aspekte der Neurobiologie
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.
Beschrifte die Bestandteile 1-8 des Motoneurons in M 6 und gib jeweils die Funktion der Abschnitte I-IV an (M 6).
Beschreibe die anatomischen Unterschiede der vier Nervenfasern in M 7.
Erkläre die gleichbleibende Leitungsgeschwindigkeit bei allen Nervenfasern in M 7 trotz anatomischer Unterschiede aus neurophysiologischer (proximater) Sicht und aus Sicht der synthetischen Evolutionstheorie (ultimate Betrachtungsebene) (M 7, M 8).
Stelle zwei Hypothesen zu Symptomen für Betroffene des Karpaltunnelsyndroms auf (M 9).
Skizziere und beschrifte die Funktionsweise einer intakten und einer durch Palytoxin veränderten Natrium-Kalium-Ionenpumpe während des Ruhepotenzials (M 10).
Erläutere anhand deiner Skizzen die Folgen einer Palytoxinvergiftung auf molekularer, zellulärer und organismischer Systemebene.
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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 – Modell für die Abhängigkeit des elektrischen Leitwiderstandes von Axonen
Die Leitungsgeschwindigkeit in einem Leiter hängt unter anderem vom elektrischen Leitwiderstand ab, da dieser den Stromfluss behindert. Die Formel zur Berechnung des elektrischen Leitwiderstandes in metallischen Leitern ist in Abb. 5 dargestellt. Dabei handelt es sich um eine Vereinfachung der komplexen Bedingungen am Axon, die jedoch eine grobe Abschätzung erlaubt.
Abbildung 5: Abhängigkeit des elektrischen Leitwiderstands (R)
M 9 – 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 10 – Gefährliche Korallen
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.
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1=Soma
2=Dendriten
3=Zellkern
4=Mitochondrium
5=Axonhügel
6=synaptisches Endknöpfchen/Synapse
7=synaptischer Spalt
8=Neurotransmitter
I–Signalaufnahme
II–Signalverarbeitung
III-Signalweiterleitung
IV–Signalübertragung
Anatomischen Unterschiede der vier Nervenfasern
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Riesenaxon Loligo Durchmesser 650 μm ohne Myelinscheide
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Lumbricus Durchmesser 100 μm, Myelinisierung nur teilweise in Form von Fenstern ausgebildet
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Rana Durchmesser 10 μm, durchgängige Myelinisierung, die nur an den Ranvier'schen Schnürringen unterbrochen wird
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Felis Durchmesser 4 μm, durchgängige Myelinisierung, die nur an den Ranvier'schen Schnürringen unterbrochen wird
Erklärung
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Proximate Sicht: je größer der Durchmesser des Leiters, desto größer ist die Querschnittsfläche A → desto geringer ist der Leitwiderstand R → desto höher die Leitungsgeschwindigkeit → ergibt sich aus der Formel (M 8) → beim Einsetzen einer größeren Querschnittsfläche in die Formel ergibt sich ein geringerer Leitwiderstand, solang alle anderen Variablen gleich bleiben
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bei der Ausbildung einer Myelinscheide mit regelmäßigen Unterbrechungen (Lumbricus: Myelinfenster; Rana, Felis: Ranvier-Schnürring) kann bereits bei wesentlich geringeren Axondurchmessern trotz höheren Leitwiderstands eine ähnliche Leitungsgeschwindigkeit durch die saltatorische Erregungsleitung erreicht werden
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Ultimate Sicht: enorme Material- und somit Ressourceneinsparung bei dünneren/myelinisierten Axonen bei gleicher Leistung
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zusätzlich Energieeinsparung, da weniger ATP zur Weiterleitung des Aktionspotenzials verbraucht wird
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geringerer Platzbedarf → dadurch mehr Axone in einer Nervenbahn → dadurch höhere Präzision bei der Übertragung von Signalen und Möglichkeit der Entwicklung komplexer kognitiver Funktionen
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dies bedeutet einen Selektionsvorteil → höhere reproduktive Fitness → Progression
Hypothesen zu Symptomen
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geringere Greifkraft durch die Beeinträchtigung der motorischen/efferenten Nerven, da diese für die Auslösung von Muskelkontraktionen zuständig sind
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eine gestörte Empfindungsfähigkeit (Kribbeln, Taubheit) durch die Beeinträchtigung der sensiblen/afferenten Nerven, da diese Signale an das Gehirn weiterleiten, wo diese als Empfindungen verarbeitet werden
Beschriftete Skizze
A) funktionstüchtige Pumpe mit aktivem Antiport
B) passiver Ionenkanal durch Palytoxin (Richtungswechsel)
Folgen einer Palytoxinvergiftung
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Molekular: Pumpwirkung, drei Na+-Ionen aus der Zelle unter Hydrolyse eines Moleküls ATP und zwei K+-Ionen in die Zelle, wird aufgehoben → Gleichgewichtspotenzial gestört
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Zellulär: gestörtes Gleichgewichtspotenzial = gestörtes Ruhepotenzial = keine oder weniger Aktionspotenziale
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Organ: aufgrund beeinträchtigter sensibler bzw. motorischer Nerven Taubheitsgefühle bzw. Atemnot (Skelettmuskulatur) durch Lähmung