Physiologie

- tritt an Nervenfaser (Axon) auf

- Zweck: Signalweiterleitung in einer Nervenfaser

- entsteht, wenn Rezeptorpotenzial Schwellenwert überschreitet

Aktionspotenzial (AP) – Ablauf:
1️. Ruhepotenzial (~–70 mV)                                                                                                                                                                                                  Membran ist polarisiert (d.h. Innen und außen der Zellmembran haben unterschiedliche elektrische Ladungen): Innen negativ, außen positiv
- Grund: Membran ist in Ruhe viel durchlässiger für K⁺(Selektive Membranpermeabilität) → K⁺ strömt leicht nach außen, Na⁺ bleibt größtenteils draußen → Innen wird negativer

2️. Reiz & Depolarisation bis Schwelle
- Reiz → Rezeptorpotenzial erreicht Axonhügel
- Na⁺-Kanäle beginnen zu öffnen
- Membranpotenzial wird positiver
- Schwellenwert erreicht → Spannungsabhängige Na⁺-Kanäle öffnen sich

3️. Depolarisation (Overshoot, +20 mV)
Massiver Na⁺-Einstrom → Innenseite wird positiv
Alles-oder-nichts-Prinzip: Aktionspotenzial wird entweder vollständig ausgelöst oder gar nicht → Höhe der Depolarisation immer gleich (~+20 mV)

4️. Repolarisation
- Na⁺-Kanäle schließen
- K⁺-Kanäle öffnen → K⁺ strömt nach außen
- Membran wird wieder negativ → Repolarisation

5️. Nachhyperpolarisation (~–90 mV)
- K⁺-Kanäle schließen sich nicht sofort, bleiben kurz offen, dadurch strömt zu viel K⁺ aus der Zelle hinaus
- Inneres der Zelle wird dadurch noch negativer als im Ruhezustand (–90 mV statt –70 mV) 
- K⁺-Kanäle schließen wieder → Na⁺/K⁺-Pumpe stellt das normale Ionengleichgewicht wieder her → Ruhepotenzial (–70 mV) 

- tritt an Synapsen von Nerven- oder Muskelzellen auf

- entsteht durch Neurotransmitter, die Ionenkanäle öffnen

- Wirkung: Depolarisation (erregend) oder Hyperpolarisation (hemmend) → bestimmt, ob neues Aktionspotenzial entsteht

- Höhe (Amplitude) des Aktionspotenzials ist immer gleich groß !

- d.h. Signal wird über das Axon konstant weitergeleitet, egal wie stark der ursprüngliche Reiz war

- Depolarisation durch Na⁺-Einstrom, Repolarisation durch K⁺-Ausstrom

- Alles-oder-nichts-Prinzip: Aktionspotenzial entsteht entweder vollständig oder gar nichts

Aktionspotenziale entstehen natürlich (physiologisch) an bestimmten Stellen im Körper:

- an sensorischen Enden afferenter Nervenfasern (z. B. bei Sinneszellen)

- am Axonhügel zentraler Neurone (Startpunkt der Erregungsweiterleitung)

- an den Muskelfasern (Muskelzelle) des Skelettmuskels (durch motorische Nerven)

- in den Schrittmacherzentren des Herzens (z. B. Sinusknoten → automatische Erregungsbildung)

--> können von selbst oder durch Reize ein Aktionspotenzial auslösen

Unphysiologisch (also künstlich oder nicht natürlich) kann ein Aktionspotenzial ausgelöst werden durch:

- einen starken mechanischen Reiz des Nerven, z. B. Druck auf einen Nerv

- elektrische Stimulation von außen, z. B. durch Elektroden

→ dabei werden die spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle künstlich geöffnet – die Zelle depolarisiert 

 = beschreibt, dass die Reizintensität (z. B. Druck, Lichtstärke, Temperatur) durch die Frequenz der Aktionspotenziale im afferenten Neuron kodiert wird

→ Ein stärkerer Reiz führt zu mehr Aktionspotenzialen pro Zeiteinheit d.h. bei stärkerem Reiz bleibt die Amplitude jedes Aktionspotenzials gleich (Alles-oder-nichts-Prinzip), aber die Frequenz (also wie oft Aktionspotenziale hintereinander ausgelöst werden) ändert sich

- Reiz löst im Rezeptor ein Rezeptorpotenzial aus 
- Wird die Schwelle überschritten, werden im afferenten Neuron Aktionspotenziale ausgelöst
- Je höher das Rezeptorpotenzial, desto höher die Frequenz der Aktionspotenziale → Rezeptorpotenzial wird also in eine Frequenzkodierung der Aktionspotenziale „übersetzt”

→ Nervensystem kodiert Reizstärke nicht durch größere APs (Amplitude jedes Aktionspotenzials bleibt immer gleich (Alles-oder-nichts-Prinzip), sondern durch mehr APs pro Zeit (Häufigkeit ändert sich)

→ Je stärker der Reiz, desto größer die Depolarisation → höhere AP-Frequenz

Merke: Je höher das Rezeptorpotenzial, desto mehr Aktionspotenziale pro Zeit werden in der fortleitenden Nervenfaser gebildet!

= Art, wie ein Aktionspotenzial entlang eines nicht myelinisierten Axons weitergeleitet wird

- „kontinuierlich“ genannt, weil jede Membranregion selbst depolarisiert, um das Signal weiterzugeben, d.h.  Aktionspotenzial wird schrittweise entlang des Axons weitergeleitet
- Axon leitet das elektrische Signal vom Axonhügel (Startpunkt) zu den Axonverzweigungen (Axoncollaterals)

Wie verläuft die Fortleitung?
- Start: Aktionspotenzial beginnt am Axonhügel („time zero“)
- Schrittweise Weiterleitung: Jede Membranregion entlang des Axons muss das Membranpotenzial selbst verändern (Depolarisation) → Depolarisation eines Abschnitts löst die Depolarisation des nächsten Abschnitts aus
- Zeitlicher Ablauf: Signal wandert kontinuierlich entlang des Axons weiter 

Eigenschaften
- Langsamer, da jede Membranregion depolarisiert werden muss (schrittweise Depolarisation)
- nach einem Aktionspotenzial ist der Bereich kurzzeitig nicht erneut erregbar, sodass das Signal nur in eine Richtung wandert (Refraktärzeit)
- tritt nur in nicht myelinisierten Nerven auf

= Schnelle „springende“ Weiterleitung des Aktionspotenzials bei myelinisierten Axonen; Depolarisation nur an den Ranvier-Schnürringen

1️. Myelinisierung
- Axone werden von Oligodendrozyten (ZNS) oder Schwann-Zellen (PNS) umhüllt
- diese Zellen bilden die Myelinscheide (Markscheide), die wie eine isolierende Hülle wirkt
- zwischen den Myelinscheiden gibt es Lücken, die sogenannten Ranvier-Schnürringe → wichtig: Nur an diesen Schnürringen kann die Membran depolarisieren !

2️. Fortleitung des Aktionspotenzials
- Aktionspotenzial „springt“ von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten → saltatorisch 
- myelinisierte Abschnitte leiten das Signal passiv weiter, es kommt nur an den Schnürringen zur Depolarisation
 

Beispiel Zeitlicher Ablauf:
„Zeit 0“: Signal beginnt am Axonhügel
„1 ms später“: Signal erreicht bereits den nächsten Ranvier-Schnürring → viel schneller als kontinuierliche Fortleitung

3️. Eigenschaften
- Sehr schnell: Signalgeschwindigkeit bis zu 100 m/s (im Vergleich zu 0,5–2 m/s bei kontinuierlicher Fortleitung)
- Energieeffizient: Nur die Membran an den Schnürringen muss depolarisiert werden → weniger Na⁺/K⁺-Pumpenarbeit
- Richtungssicher durch Refraktärzeit (= direkt nach einem Aktionspotenzial kann der gleiche Abschnitt kurzzeitig kein neues Aktionspotenzial auslösen)

4️. Klinische Relevanz
- Entmarkungserkrankungen wie Multiple Sklerose (MS) oder Guillain-Barré-Syndrom zerstören die Myelinscheiden.
- Folge: Saltatorische Fortleitung wird verlangsamt oder blockiert → neuronale Kommunikation gestört → Symptome wie Muskelschwäche, Sensibilitätsstörungen, Lähmungen

Merkmal                                      Kontinuierlich                      Saltatorisch

Axontyp                                      nicht myelinisiert                  myelinisiert

Geschwindigkeit                         langsam                               schnell

Depolarisation                        an jeder Axonstelle                  nur an Ranvier-Schnürringen

Energieverbrauch                      hoch                                     gering

Richtungssicherheit              durch Refraktärzeit                   durch Refraktärzeit

Vorteil                                   einfache Struktur                       schnelle, energieeffiziente Signalweiterleitung

Nervenfasern = lange Fortsätze von Nervenzellen (Axone), die elektrische Signale zwischen Nervenzellen oder zwischen Nervenzellen und Zielorganen (z. B. Muskeln, Drüsen, Sinnesrezeptoren) leiten
-  durch Klassifikation verschiedene Faserarten anhand ihrer Funktion, ihres Durchmessersund ihrer Leitungsgeschwindigkeit unterscheiden

- Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen (oder Nervenzelle und Muskel-/Drüsenzelle)

- dient der Informationsübertragung (Weiterleitung oder Hemmung eines Signals)

Besteht aus:

• Präsynaptischer Endknopf (Axonende der sendenden Zelle)
• Synaptischer Spalt (ca. 20–30 nm breiter Zwischenraum)
• Postsynaptischer Membran (Empfangsstelle an der Zielzelle)

1. Chemische Synapse (häufig im Nervensystem)

- Signalübertragung über Neurotransmitter (chemische Botenstoffe)

- Ablauf:

• Aktionspotenzial erreicht präsynaptisches Endknöpfchen
• Ca²⁺-Ionen strömen ein → Vesikel verschmelzen mit Membran
• Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt ausgeschüttet
• Binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran
• Öffnen oder schließen Ionenkanäle → Erregung oder Hemmung

Erregende Synapse (EPSP)

- führt zur Depolarisation der postsynaptischen Membran: Membranpotenzial wird positiver (näher an Schwelle)

- Neurotransmitter z. B. Glutamat, Acetylcholin öffnen Natrium-(Na⁺)-Kanäle → Na⁺ strömt in die Zelle (wird noch positiver)

- erhöht Wahrscheinlichkeit für ein Aktionspotenzial

Hemmende Synapse (IPSP)

- führt zur Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran: Membranpotenzial wird negativer (weiter von Schwelle entfernt)

- Neurotransmitter z. B. GABA, Glycin öffnen Chlorid-(Cl⁻)-Kanäle oder Kalium-(K⁺)-Kanäle → Cl⁻ strömt in oder K⁺ aus der Zelle (wird noch negativer)

- verringert Wahrscheinlichkeit für ein Aktionspotenzial

Integration der Signale:

eine Nervenzelle erhält gleichzeitig viele erregende (EPSPs) und hemmende (IPSPs) Signale von verschiedenen Synapsen, diese summieren sich räumlich (mehrere Synapsen gleichzeitig aktiv) und zeitlich (schnelle Abfolge von Signalen an derselben Synapse) im Axonhügel:

• wenn das Gesamtpotenzial den Schwellenwert erreicht → Aktionspotenzial entsteht
• wenn hemmende Potenziale überwiegen → keine Erregungsweiterleitung

2. Elektrische Synapse

- direkte Verbindung zwischen Zellen über Gap Junctions (Ionenkanäle)

- Ionenströme fließen direkt von Zelle zu Zelle → sehr schnelle Übertragung

- Kaum Verzögerung, aber weniger flexibel

3. Mechanische Synapse:

- Übertragung durch mechanische Reize (z. B. im Innenohr)

- das menschliche Nervensystem besteht aus ca. 100 Milliarden Nervenzellen

- jedes Neuron ist im Durchschnitt mit rund 1.000 anderen Nervenzellen verbunden → ergibt etwa 100 Billionen Synapsen (Kontaktstellen)

- diese Netzwerke sind das zentrale Organisationsprinzip des Gehirns: ermöglichen Denken, Fühlen und Verhalten (noch nicht vollständig geklärt, wie  aus dieser riesigen Zahl an Verbindungen komplexe geistige Prozesse entstehen)

1. Reiz und sensorischer Eingang
ein äußerer Reiz (z. B. das Sehen eines Glases Wasser) wird von Sinneszellen aufgenommen
Sinneszellen erzeugen ein Aktionspotenzial, das über sensorische Nervenfasern (Afferenzen) an das zentrale Nervensystem (ZNS) weitergeleitet wird (Sensorischer Eingang)
→ „Afferent“ heißt also: von der Peripherie zum Gehirn oder Rückenmark

2. Synapsen: Weiterleitung der Information
am Ende der afferenten Nervenbahn kommt das Signal an einer Synapse an
Präsynaptisch: Aktionspotenzial erreicht die präsynaptische Endigung, Neurotransmitter werden ausgeschüttet
Synaptischer Spalt: die chemischen Botenstoffe (Neurotransmitter) diffundieren durch den Spalt
Postsynaptisch: Botenstoffe binden an Rezeptoren des nächsten Neurons
dabei entsteht ein postsynaptisches Potenzial (PSP) an der Synapse, das entweder erregend (EPSP) oder hemmend (IPSP) sein kann: 
EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potenzial): erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das nächste Neuron feuert (neues Aktionspotenzial auslöst)
IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial): verringert diese Wahrscheinlichkeit

3. Verarbeitung im Nervensystem
diese erregenden oder hemmenden Signale werden im Nervensystem summiert und verarbeitet
wenn das Gesamtsignal stark genug ist, wird ein neues Aktionspotenzial ausgelöst (jetzt über eine efferente Bahn)

4. Motorischer Ausgang (Efferente Bahn)
→ “Efferent”: vom ZNS zur Peripherie (also an Muskeln oder Drüsen)
Aktionspotenzial wandert über die motorische Nervenfaser zur motorischen Endplatte eines Muskels 
Muskel = erregbares Organ
dort führt die Neurotransmitter-Ausschüttung (meist Acetylcholin) zur Muskelkontraktion z. B. das Heben des Glas

= Neurone sind informationsverarbeitende und -übertragende Zellen des Nervensystems, die elektrische und chemische Signale empfangen, verarbeiten und weiterleiten

- Aufgabe: Wahrnehmung u. Weiterleitung von Reizen u. Erregungen

- ermöglichen durch Weiterleitung des Signals ins zentrale Nervensystem, Denken, Bewegung, Sinneswahrnehmung und viele automatische Körperfunktionen

Wichtige Teile einer Nervenzelle:

Dendriten: empfangen Signale

Zellkörper (Soma): verarbeitet Signale

Axonhügel: sammelt Signal der Dendriten (nur wenn bestimmte Signalstärke überschritten wird, wird elektrisches Signal (Aktionspotenzial) weitergeleitet

Axon: leitet Signale weiter

--> bei myelinisierten Axon: umschließen Schwann'sche Zellen das Axon & bilden Myelinscheiden die das Axon isolieren, das elektrische Signal springt von Ranvier'schen Schnürringen (Lücke zw. Myelinscheiden) zum nächsten -> schnellere Weiterleitung des Aktionspotenzials

Synaptisches Endknöpfchen: überträgt Signale auf andere Zellen (z. B. Nervenzellen oder Muskelzellen)

Synapse: Verbindung zweier Zellen, dort wird elektrisches Signal zur Weiterleitung in ein chemisches umgewandelt

1. Zellkern (Nucleus)

2. Mitochondrien

3. Ribosomen

4. Golgi-Apparat

5. Vesikel

6. Membranen

1. Zellkern (Nucleus) 

- liegt im Cytoplasma, umgeben von Kernmembran, enthält Kernplasma & Erbinformation

- Funktion: Regulierung von Stoffwechselprozessen (durch Mitose & Meiose steuert der Zellkern die Zellteilung) & Speicherung der Erbinformation mit Nukleinsäuren (DNA, RNA)

- Erbinformation = Bauplan eines Lebewesens, legt fest, welche Proteine hergestellt werden, wie die Zelle funktioniert und wie der Organismus aufgebaut ist

- Nukleinsäuren: DNA (Desoxyribonukleinsäure): speichert die langfristige Erbinformation in allen Zellen & RNA (Ribonukleinsäure): vermittelt die Information der DNA und setzt sie in Proteine um

- DNA bewahrt den Bauplan sicher auf, bei Bedarf wird die DNA abgelesen (Transkription → RNA wird erzeugt), um Proteine zu bauen (Translation, für die Proteinbiosynthese), so sorgt Zelle dafür, dass alle Funktionen korrekt ablaufen --> Zellkern „sagt“, welche Proteine hergestellt werden

2. Mitochondrien = Energiegewinnung (als ATP) aus Kohlenhydraten und Fettsäuren

- wandeln Nahrung (Kohlenhydrate, Fettsäuren) in Energie um, die die Zelle nutzen kann --> die nutzbare Energie heißt ATP (Adenosintriphosphat)

- ATP wird in der Zellatmung produziert, die mehrere Schritte umfasst: Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette

= "Kraftwerke der Zelle", da sie Energie für alle lebenswichtigen Prozesse bereit stellen

3. Ribosomen = Ort der Proteinbiosynthese (Eiweißaufbau aus Aminosäuren)

- bestehen aus verschiedenen Proteinen und rRNA

- Funktion: Übersetzen die mRNA (= Kopie eines DNA-Abschnitts ist, enthält genetische Information --> Translation) und bilden Proteine aus Aminosäuren

- produzierte Proteine dienen der Zellstruktur, dem Stoffwechsel, (dem Export oder der Membranbildung)

4. Golgi-Apparat = Ort der Reifung und Verteilung von Produkten des Zellstoffwechsels

- Produkte des Zellstoffwechsels = alle Stoffe, die in einer Zelle entstehen, während sie Nährstoffe verarbeitet und Energie gewinnt (können innerhalb der Zelle genutzt, abgebaut oder nach außen transportiert werden)

- Reifung der Produkte des Zellstoffwechsels: Proteine und Lipide, die im endoplasmatischen Retikulum (ER) hergestellt wurden, kommen zum Golgi-Apparat, dort werden sie „bearbeitet“ oder „reif gemacht“, z.B.: Zuckerreste angehängt (Glykosylierung), Protein-Struktur verändert

- Verteilung der Produkte des Zellstoffwechsels: nach Reifung werden Proteine/Lipide in Transportbläschen (Vesikel) verpackt, Vesikel bringen die Produkte an die Zellmembran (für Export, Exozytose) oder in bestimmte Zellbereiche (z. B. Lysosomen)

5. Vesikel = Transportbläschen der Zelle

- Transport innerhalb der Zelle: Vesikel bringen Biomoleküle (z.B. Proteine, Lipide) von einem Zellorganell zum nächsten

- Exozytose (Ausschleusung): Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran, Inhalt wird nach außen abgegeben, z.B. Hormone, Verdauungsenzyme, Neurotransmitter

- Endozytose (Aufnahme): Zelle nimmt Stoffe von außen auf, indem sich die Zellmembran nach innen stülpt und die aufzunehmenden Stoffe (z.B. Nährstoffe, Signalmoleküle, Viren, Fremdpartikel) umschließt

- aus diesem „eingeklappten“ Membranabschnitt entsteht ein Vesikel (eine kleine Blase aus Membran) --> Vesikel transportiert die aufgenommenen Stoffe ins Zellinnere

6. Membranen (von Zelle, Vesikel, Golgi) = schützt die Zelle und ermöglicht gleichzeitig Kommunikation und gezielten Stoffaustausch

- Aufbau: Doppellipidschicht mit eingelagerten Proteinen (übernehmen wichtige Aufgaben wie Transport oder Signalaufnahme), die das Zellinnere vom Außenbereich trennt

- Selektiv permeabel: nur bestimmte Moleküle dürfen durchgelassen werden

Funktionen:

- Abgrenzung & Schutz: verhindert, dass wichtige Stoffe einfach verloren gehen oder unkontrolliert eindringen

- Regelung des Stoffaustausches: Stoffe, die die Zelle braucht, werden aufgenommen (z. B. Glukose, Nährstoffe), Abfallprodukte oder Sekrete werden abgegeben

- Kommunikation: Membranproteine wirken als Rezeptoren, erkennen Signale (z. B. Hormone, Neurotransmitter) und leiten sie in die Zelle weiter

= Gewebezelle im Nervensystem (Helferzellen)

 - sind keine Nervenzellen, leiten also selbst keine elektrischen Signale, sondern unterstützen Neuronen in ihrer Funktion

- Funktion: helfen den Nervenzellen bei Weiterleitung von Signalenstützen, haben Stütz-/Haltefunktion, bilden Myelinscheide, und viele weitere Funktionen --> schützen, versorgen und reinigen das Nervengewebe

- wichtigste Gliazellen-Arten: Astrozyten, Oligodendrozyten, Mikroglia, Schwann'sche Zellen

= Stützzellen des zentralen Nervensystems (ZNS)

- größter Teil der Gliazellen im Gehirn

- Funktion: stützen Neuronen, versorgen sie mit Nährstoffen und Sauerstoff, regulieren die chemische Umgebung der Synapsen

= Erregbare Nervenzelle im Gehirn (v. a. Großhirnrinde)

- Funktion: Signalweiterleitung im ZNS, Langstreckenkommunikation zwischen Hirnregionen

= Nervenzelle im Kleinhirn

- Funktion: Koordination von Bewegungen, Verarbeitung von motorischen Signalen

= (Sinneszelle) Rezeptorzelle im Innenohr

- Funktion: Wandelt mechanische Reize (Schallwellen, Bewegung) in elektrische Signale um, Grundlage für Hören und Gleichgewicht

- besteht aus einer Doppellipidschicht mit eingelagerten Proteinen (ca. 5 nm dick)

- Doppellipidschicht besteht aus zwei Schichten von Phospholipiden ->  = spezielle Fettmoleküle mit einem hydrophilen (wasserliebenden) Kopf und zwei hydrophoben (wasserabweisenden) Schwänzen

Köpfe der Phospholipide zeigen nach außen – sowohl zur Zellinnenseite (Zytoplasma, wasserhaltig) als auch zur Zellaußenseite (Gewebsflüssigkeit, Blutplasma, ebenfalls wasserhaltig)

Schwänze nach innen → bilden fettige (lipidreiche) Zone in der Mitte, die wasserabweisend ist

- so entsteht eine Doppelschicht, die die Zelle nach außen abgrenzt, fettlösliche Stoffe (lipophile Stoffe, z.B. Alkohol (Ethanol), Sauerstoff) leicht durchlässt & wasserlösliche Stoffe (hydrophile Stoffe, z.B. Ionen, Zucker) abblockt → Transport nur über Kanäle oder Proteine

- weitere Eigenschaft der Zellmembran sie ist semi-permeabel: lässt nur bestimmte Stoffe durch

- Eingelagerte Proteine dienen als Kanäle (z.B. Ionenkanäle), Transporter (z.B. Carrierproteine), Rezeptoren oder Pumpen (z.B. Ionenpumpen)

- wichtige Funktionen: Abgrenzung der Zelle: trennt Zellinneres von außen, Kontrolle: reguliert gezielt, was hinein- oder hinausgelangt, kontrolliert Austausch wasserlöslicher Substanzen, Kommunikation/ Signalübertragung: über Rezeptoren erkennt die Zelle Signale von außen & reagieren darauf