Physiologie

Reiz → ein physikalischer oder chemischer Faktor, der eine Reaktion der Sinneszelle auslöst (z. B. Druck, Licht, Temperatur)

Sensorischer Eingang / Afferenz → Sensorische Zellen (Rezeptoren) wandeln den Reiz in ein elektrisches Signal (Aktionspotenzial) um
Signal wird über afferente Nervenfasern in das Zentralnervensystem (ZNS) geleitet
Afferenz = „hinführend zum ZNS“ (bringen Informationen zum Gehirn oder Rückenmark, transportieren elektrische Signale (Aktionspotenziale), die durch Reize ausgelöst werden)

Synapse (afferent → ZNS) → Neurotransmitter übertragen Signal auf ZNS-Neuron
ZNS-Integration → Verarbeitung, Vergleich, Entscheidung über Reaktion
Synapse (ZNS → motorisches Neuron) → Signalweiterleitung über Neurotransmitter; Na⁺/Ca²⁺-Einstrom → Depolarisation
 

Motorischer Ausgang / Efferenz → Aktionspotenzial läuft zu Muskel- oder Drüsenzellen
Aktionspotenzial wandert über efferenzte Nervenfasern vom ZNS zu Muskel- oder Drüsenzellen
Efferenz = „hinausführend vom ZNS“ (leiten Signale vom Zentralnervensystem (ZNS) zu Muskeln oder Drüsen, Übertragen elektrische Signale (Aktionspotenziale), die eine Reaktion auslösen)

Bewegung / Reaktion → Muskel kontrahiert oder Drüse schüttet Stoff aus
in der Zielzelle (Muskel) wird das Signal umgesetzt → Kontraktion oder Sekretion → Bewegung oder Reaktion tritt auf

Synapse (afferent → ZNS) → Neurotransmitter übertragen Signal auf ZNS-Neuron

- am Ende der afferenten Faser gelangt das Signal zu einer Synapse → chemische oder elektrische Verbindung zum nächsten Neuron im ZNS

- Botenstoffe (Neurotransmitter) übertragen das Signal auf das nächste Neuron

- Arten: chemisch oder elektrisch: Chemische Synapse: Neurotransmitter werden freigesetzt → binden an Rezeptoren des ZNS-Neurons → Na⁺/Ca²⁺-Einstrom → Depolarisation → neues Aktionspotenzia

ZNS-Integration → Verarbeitung, Vergleich, Entscheidung über Reaktion

- Signale vom sensorischen Eingang werden im ZNS (Gehirn oder Rückenmark) verarbeitet, verglichen und entschieden, ob eine Reaktion notwendig ist

- kann einfache Reflexe (Rückenmark) oder komplexe Entscheidungen (Gehirn) umfassen

Synapse (ZNS → motorisches Neuron) → Signalweiterleitung über Neurotransmitter; Na⁺/Ca²⁺-Einstrom → Depolarisation

- Signal wird über eine weitere Synapse auf das motorische Neuron übertragen

- Neurotransmitter öffnen wieder Ionenkanäle, durch Einstrom von Na⁺ (oder Ca²⁺) in die Zelle wird Membranpotenzial positiver/ erhöht, führt zu Depolarisation → es entsteht ein Aktionspotenzial im motorischen Neuron → Signalweiterleitung

1. Rezeptorpotenzial (Generator-/Sensorpotenzial)

2. Aktionspotenzial

3. Postsynaptisches Potenzial

- tritt an sensorischen Enden afferenter Nervenfasern auf

- entsteht durch Reiz (z. B. Druck, Licht, Temperatur)

- führt zu einer lokalen Änderung des Membranpotenzials, je nach Stärke kann ein Aktionspotenzial ausgelöst werden

Reiz
- äußerer Reiz (z. B. Druck, Licht, Temperatur) trifft auf die sensorische Endigung einer afferenten Nervenfaser
- dieser Reiz aktiviert Ionenkanäle, die für Na⁺ durchlässig sind
Na⁺-Einstrom → Depolarisation
- Na⁺ strömt in die Zelle → Innenseite der Membran wird weniger negativ → dies ist die Depolarisation, die das Rezeptorpotenzial erzeugt
- Wichtig: Größe der Depolarisation hängt von der Reizstärke ab → starker Reiz → mehr Na⁺ → größere Depolarisation
Soma und Axonhügel
- Rezeptorpotenzial breitet sich im Soma (Zellkörper) aus, bis zum Axonhügel
Axonhügel = „Schwellenwert-Zone“:
- Wenn die Depolarisation hier den Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotenzial ausgelöst → Signal läuft über das Axon weiter
- Wenn der Schwellenwert nicht erreicht wird → kein Aktionspotenzial

Merke: Ein Rezeptorpotenzial ist eine Potenzialänderung, die in ihrer Größe von der Reizstärke abhängt (Starke Reize → große Depolarisation → höhere Wahrscheinlichkeit für Aktionspotenzial)

- 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

JK

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

- ermöglichen Denken, Bewegung, Sinneswahrnehmung und viele automatische Körperfunktionen

Wichtige Teile einer Nervenzelle:

Dendriten: empfangen Signale

Zellkörper (Soma): verarbeitet Signale

Axon: leitet Signale weiter

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

1. Zellkern (Nucleus)

2. Mitochondrien

3. Ribosomen

4. Golgi-Apparat

5. Vesikel

6.Membranen

1. Zellkern (Nucleus) = Funktion: 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), 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)

- Kraftwerke der Zell

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

- Bildung von Proteinen (bauen Proteine aus Aminosäuren zusammen, indem sie Aminosäuren zu Ketten verbinden) für Zellstruktur und Stoffwechsel (& Export und Membran)

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

- 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)

- 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)

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 sie sie in Vesikel einschließt, z.B. Nährstoffe, Signalmoleküle, Viren, Fremdpartikel

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

= Helferzellen des Nervensystems

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

- stützen, schützen, versorgen und reinigen das Nervengewebe

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

= Stützzellen des zentralen Nervensystems (ZNS)

- 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 Phospholipiden (2 Schichten) -> spezielle Fettmoleküle mit einem hydrophilen (wasserliebenden) Kopf und einem hydrophoben (wasserabweisenden) Schwanz

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

- Eingelagerte Proteine dienen als Kanäle, Transporter oder Rezeptoren

- wichtige Funktionen: Abgrenzung: trennt Zellinneres von außen, Kontrolle: reguliert gezielt, was hinein- oder hinausgelangt, kontrrolliert Austausch wasserlöslicher Substanzen, Kommunikation: über Rezeptoren erkennt die Zelle Signale von außen