E-Learning Neurobiologie Online-Trainer PDF

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Übungen aus dem alten Online-Trainer für Neurobiologie...

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Gliazellen: 1. Welche Aussage zu Gliazellen ist falsch? a) Gliazellen besitzen kein Axon b) Gliazellen besitzen Dendriten c) Gliazellen bilden keine Aktionspotentiale d) Gliazellen haben keine Funktion bei der schnellen Erregungsleitung Gliazellen unterteilen sich in: Astrocyten, Oligodendrocyten, Mikrogliazellen, Schwannzellen

Astrozyten: - Gliazellen des ZNS, grenzen sich durch ausgeprägte Zellfortsätze ab - Bilden einen Teil der Blut-Hirn-Schranke - Regulieren das Ionenmilieu an Synapsen und nehmen Neurotransmitter auf - Regulation der extrazellulären Kaliumkonzentration Oligodendrocyten: - Gliazellen des ZNS, die in der grauen und weißen Substanz des ZNS die Myelinscheiden der Axone bilden. - Ektodermalen Ursprungs - Bilden weniger Fortsätze als Astrozyten - Ihre Axone umgeben die Schwannzellen im PNS und isolieren diese Mikrogliazellen: - Immuneffektorzelle des ZNS - Mesodermalen Ursprungs - Können im ruhenden, aktivierten oder Phagozytose-Zustand vorliegen - Wandern zum Ort von Hirnschädigungen („Mkrophagen des Gehirns) Schwannzellen: - Bilden im PNS die Myelinscheiden der Markhaltigen Nervenfasern, umhüllen mit ihrem Zytoplasma die marklosen Nervenfasern - Ektodermalen Ursprungs - Ranvier-Schnürringe: Unterbrechungen der Myelinisierung für saltatorische Reizleitung 2. Welche Aussage zu Gliazellen ist Falsch? a) Astrocyten sind für die k+-Homöostase essentiell (Spatial Buffering) b) Viele Neurotransmitter werden von Astrocyten aufgenommen und dadurch inaktiviert b) Oligodendrocyten besorgen die Myelinisierung meist mehrerer Axone im PNS (Besorgen die Myelinisierung meist mehrerer Axone im ZNS)

c) Astrocyten beliefern Neurone mit Glutamat

3. Welche Zelltypen gehören nicht zum ZNS? a) Neurone b) Oligodendrocyten c) Astrocyten d) Mikrogliazellen e) Schwannzellen (Myelinisierung einzelner Axone im PNS)

4. Afferent und Efferent – Welche Aussage ist Falsch? a) Ein efferentes Neuron leitet ein Signal zu einem Muskel b) Ein afferentes Neuron leitet ein Signal zum Gehirn c) Ein afferentes Neuron leitet ein Signal zu einem Muskel (Ein afferentes Neuron leitet Signale immer zu einem Integrationszentrum. Dies kann das Gehirn, aber auch en Ganglion sein)

d) Ein afferentes Neuron leitet ein Signal zu einem Ganglion e) Ein efferentes Neuron leitet ein Signal zu einer Drüse (Affere: hintragen; Effere: heraustragen)

Physikalische Grundlagen der Erregungsleitung An Zellmembranen verlaufen elektrische Ströme zwischen erregten und unerregten Membranabschnitten. Zur Beschreibung dieses „Stromfluss“ werden elektrophysikalische Gesetze angewendet.

Depolarisation der Membran: Spannung an einem Membranabschnitt wird positiver auf der Innenseite durch einen Einstrom von Kationen Elektrische Weiterleitung: Depolarisation eines Membranabschnitt führt automatisch zu einer Depolarisation benachbarter Areale (passiv) Physikalische Gesetze für die Reizleitung entlang einer Zellmembran: > Längswiderstand Ri : Wiederstand den das Cytosol einer Längsbewegung von Ladungsträgern entgegen bringt (Einheit Ohm) > Je geringer der Längswiderstand, desto besser und schneller ist die Erregungsausbreitung > Je dicker eine Nervenfaser ist, umso geringer ist der Längswiderstand > Membranwiderstand Rm: Widerstand einer Zellmembran gegen den Durchtritt von Ladungsträgern > Je höher der Membranwiderstand, umso besser ist die Erregungsleitung ( wenig Verlust von Ladungsträgern) > Je dicker eine Nervenfaser ist, umso niedriger ist der Membranwiderstand > Membranlängskonstante: Von einem Reizort entfernte Strecke, nach der das elektrische Potential auf nur noch 37 % der ursprünglichen Amplitude abgefallen ist > Berechnet sich aus innerem Längswiderstand und dem Membranwiderstand > Membrankapazität: Membranen von Nervenfasern fungieren als eine Art Kondensator und können eine gewisse Menge an elektrischer Ladung aufnehmen, die von der Membran aber nicht mehr weitergeleitet wird (Einheit Farad) > Je höher die Membrankapazität, desto schlechter ist die Erregungsweiterleitung > Je dicker die Nervenfaser, desto größer ist die Membrankapazität • Membranwiderstand und -kapazität verhalten sich umgekehrt proportional zueinander (Je höher der Widerstand, desto kleiner die Kapazität) • Die Leitungsgeschwindigkeit bei der kontinuierlichen Reizleitung ist proportional zum Radium der Nervenfaser – je dicker ein Nerv, desto schneller die kontinuierliche Reizleitung

5.Welche Aussage über die passiven elektrischen Eigenschaften der Zellmembran ist falsch? a) Die Halbierung des Membranwiderstands halbiert die Membranzeitkonstante b) Bei Verdopplung der Membranfläche verdoppelt sich die Membranzeitkapazität c) Eine durch konstanten Strom hervorgerufene Spannungsänderung über der Membran ist innerhalb der Membranzeitkonstanten zur Hälfte abgeschlossen (Sie ist zu ca. 63% abgeschlossen)

d) Bei Verdopplung der Membranleitfähigkeit halbier sich die Membranzeitkonstante

e) Die Einheit der Membranzeitkonstante ist (S) 6. Eigenschaften der Zellmembran: Welche Aussage über die passiven elektrischen Eigenschaften der Zellmembran ist FALSCH? a) Die Membranzeitkonstante ist das Produkt aus Membranwiderstand und Membrankapazität b) Eine durch konstanten Strom hervorgerufene Spannungsänderung über der Membran ist innerhalb der Membranzeitkonstante zu etwa 63% abgeschlossen c) Bei Verdopplung der Membranleitfähigkeit halbiert sich die Membranzeitkonstante d) Bei Verdopplung der Membranfläche verdoppelt sich die Membrankapazität und Membranwiderstand (Bei Verdopplung der Membranfläche halbiert sich der Membranwiderstand)

e) Die Einheit der Membranzeitkonstante ist (s)

Ladungsverteilung innerhalb und außerhalb einer Zelle Da innerhalb und außerhalb von Zellen verschiedene geladene Ionen in untersch. Konzentration vorliegen, kommt es an Zellmembranen zu einer charakteristischen Ladungsverteilung- einem Potential. Neben der klassischen Elektrolyten tragen auch negativ geladene Proteine zur Ladungsverteilung bei.

Eine Ionenlösung leitet Strom. Ausschlaggebende Größe für die Geschwindigkeit des Ionentransport ist dabei die elektrische Feldstärke. Sie wird quantifiziert über die Ionenstärke, die sowohl die Konzentration der Ionen als auch deren Ladung bezeichnet. Ionenstärke: Maß für die Stärke des elektrischen Feldes, das durch Ionen in einer Lösung entsteht Molare Leitfähigkeit: Elektrische Leitfähigkeit einer Elektrolytlösung auf die Konzentration der Lösung Elektrochemisches Potential: Gibt an, wie viel Arbeit aufgebracht werden muss, um bei gleicher Temp. Und gleichem Druck die Stoffmenge der Ionensorte i zu vergrößern Potentialberechnung an Biomembran: Liegt einer Membran ein Konzentrationsgefälle von Ionen vor, so kommt es durch den Ladungsunterschied auf beiden Seiten der Membran zum Aufbau einer Spannung (=Membranpotential) Nernst-Gleichung: Bei Konzentrationsgefälle einer Ionensorte

Goldman-Gleichung: Bei einem Konzentrationsgefälle mehrer Ionensorten

Das Ruhepotential Unter Ruhepotential versteht man den negativ geladenen Zustand einer unerregten Nervenzelle 

Nur die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials gewährleistet die Erregungsübertragung beim Aktionspotential



Die Natrium-Kalium-Pumpe und die selektive Permeabilität der Membran sorgen für die Aufrechterhaltung des negativen Ruhepotentials bei ca. -80mV.

Definition: Das Ruhepotential ist das Membranpotential einer erregbaren Zelle (zB. Nerven- oder Muskelzelle) in Ruhe. Es handelt sich also um den „Grundzustand“, der mehr oder weninger der Summe aller Diffusionspotentiale (dh Potentiale im Fließgleichgewicht) der intra- und extrazellulär vorliegenden Ionen entspricht. Je nach Zelltyp ist das RP unterschiedlich groß, es liegt im Bereich von ca -70mV bis -90mV • Brown´sche Molekularbewegung: Teilchen bewegen sich zufällig und streben dabei eine gleichmäßige Verteilung an • Semipermeable Membran: Durch das Vorhandensein von Ionenkanälen mit selektiver Transportfähigkeit sind Zellmembranen im Ruhezustand: > Gut durchlässig für K+ Ionen > Schlecht durchlässig für Na+ Ionen > Undurchlässig für anionische Proteine • Natrium-Kalium-ATPase und Ionenkanäle: Erhalten das RP aktiv aufrecht • K+ Konzentration: Intrazellulär ≥ Extrazellulär • Na+ Konzentration: Intrazellulär ≤ Extrazellulär • Das RP entspricht mehr oder weniger dem K+ Gleichgewichtspotential, welches entsprechend den in der Zelle vorliegenden Ionenkanälen variiert: Neurone = -70mV ; Muskelzellen (Skelett u. Herz) = -90mV; Gliazellen = -90mV Entstehung eines Membranpotentials: 1. Ungleiche K+-Ionenverteilung, sowie Anionenverteilung (A-) (zB beides höher Konzentriert in Innenseite der Zelle) 2. Durch selektiv-permeable K+-Ionenkanäle diffundieren Kaliuminionen entlang des Konzentrationsgradienten von Innen nach Außen (Ionenstrom) Anionen sind nicht mobil (akkumulation pos. Ladung an der Membranaußenseite) 3. Gleichgewicht wenn der chemische dem elektrischen Gradient entgegen wirkt

7. Ionenverteilung- Welche Angabe zur Konzentration ist falsch? a) Im Extrazellularraum liegt eine Chloridkonzentration von ca. 160mM vor b) Im Intrazellularraum liegt eine Natriumkonzentration von ca. 10 mM vor c) Im Intrazellularraum liegt eine Kaliumkonzentration von ca. 120 mM vor d) Im Extrazellularraum liegt eine Kaliumkonzentration von ca. 4mM vor e) Im Extrazellularraum liegt eine Natriumkonzentration von ca. 40mM vor (ca. 140 nM sind richtig)

8. Welche Aussage über die Konzentrationsverhältnisse bei Neuronen im Ruhezustand ist um mindestens eine Zehnerpotenz FALSCH? a) Die cytosolische K+-Konzenztration beträgt 150mM b) Die cytosolische K+-Konzentration ist 10 mal so groß wie die cytosolische Na+ Konz. c) Die extrazelluläre Na+ Konzentration ist 10 mal so groß wie die intrazelluläre Na+ Konz. d) Im Extrazellulärraum ist die Ca2+-Konzentration 100mal so groß wie im Cytosol ( Sie ist 10.000 mal so groß)

e) Auf ein freies Ca2+ Ion im Cytosol kommen 1 Mio. K+ Ionen 9. Welche Aussage ist FALSCH? Nach Blockade der ATP-Synthese in einer Nervenzelle a) Sinkt die K+-Konzentration im Cytosol b) Steigt die Na+ Konzentration im Cytosol c) Verschiebt sich das Na+ Gleichgewichtspotential in positive Richtung d) Steigt die Ca+ Konzentration im Cytosol e) Verschiebt sich das Ca2+ Gleichgewichtspotential in negative Richtung (Die Natrium Kalium Pumpe sorgt durch ihre Tätigkeit für die Aufrechterhaltung des Ruhepotential In einem Zyklus tauscht sie drei Na+ Ionen gegen zwei K+ Ionen und sorgt so für zunehmendes negatives Potential im Intrazellularraum)

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist eine in der Zellmembran befindliche Ionenpumpe und sorgt aktiv für die Aufrechterhaltung des Ruhemembranenpotentials. Natrium (Na+) diffundiert ständig durch sogenannte Leckströme in das Zellinnere der Zelle. Auf Dauer würde es so zu einem Ladungs- und Spannungsausgleich zwischen Intra- und Extrazellulärraum kommen. Für das Ruhemembranpotential wäre dies gleichbedeutend mit dem Ende.

Unter ATP Verbrauch, was bedeutet das die Zelle Energie für diesen Ablauf benötigt, werden drei positiv geladene Natrium Ionen aus dem Zellinnenraum herausbefördert und im Gegenzug zwei positiv geladene Kalium Ionen in die Zelle gebracht. Pro Zyklus verliert der Zellinnenraum auf diese Weise ein positiv geladenes Teilchen und wird in der Folge negativer. Damit greift die Zelle aktiv in das Ladungsungleichgewicht von Innen-Außen Dichotomie ein und verhindert einen Ladungs- und Spannungsausgleich durch Na+ Leckströme.

10. Welche Aussage ist FALSCH? Das Membranpotential eines Neurons kann in depolarisierende Richtung verschoben werden durch… a) Aktivierung von Na+ Kanälen b) Hemmung von K+ Kanälen c) Hemmung der Na+-K+ Pumpe d) Erhöhung der extrazellulären Na+ Konzentration e) Erniedrigung der extrazellulären K+ Konzentration Auswirkung einer Öffnung von weiteren Kaliumkanälen auf das Membranpotential von Nervenzellen: > Das Öffnen von K+ Kanälen hyperpolarisiert die Membran Auswirkung einer Öffnung von weiteren Natriumkanälen auf das Membranpotential von Nervenzellen: > Das Öffnen von Na+ Kanälen depolarisiert die Membran

11. Das Membranpotential eines Neurons sei -70 mV. Die cytoplasmatische K+ Konzentration betrage 150 mM und die extrazelluläre K+ Konzentration 4mM. Um welchen Betrag und in welche Richtung kann das Membranpotential bei einer Körpertemperatur um (37°C) durch die Öffnung von K+ Kanälen maximal verschoben werden? > 25 mV in negative Richtung 12. Ionenverteilung im Cytosol: In welcher Beziehung stehen die freien Konzentrationen im Cytosol ruhender Nervenzellen zueinander? (K+)i > (Na+)i = (Cl-) > (Ca2+)i - Es besteht ein chemischer Gradient zwischen innen und außen - Ebenso ein elektrischer Gradient, da elektrische Ladung quer zur Membran entsteht Elektrochemischer-Gradient durch semipermeable Membran: Diffusion: Kleine, Hydrophobe Moleküle (O2,CO2,N2, Benzene) ; kleine ungeladene,polare Moleküle

(H2O, Glycerol, ethanol) Keine Diffusion: Große, ungeladene polare Moleküle (Aminosäuren, Glucose,Nukleotide); Ionen (H+, Na+, HCO3-, K+, Ca2+, Cl-, Mg2+) => Passive Diffusion über Zellmembran nur für ungeladene (lipophile) Teilchen möglich

Einzelnd betrachtet sind die Gesamtladungen im Zellinneren und Zelläußeren ausgeglichen. Bedeutet: Im Zellinneren gleichen sich die Ladungen von K+ und A- aus; Im Zelläußeren gleichen sich die Ladungen von Na+ und Cl- aus. Kausal für das Ruhemembranpotential ist nun der Ladungsunterschied zwischen diesen beiden Ladungen (Intrazellulär vs. Extrazellulär). Das wiederum liegt wie eben schon erwähnt an der ungleichen Verteilung der positiv- und negativ geladenen Ionen zwischen Zellinnerem und Zelläußerem.

Transporttypen: 1. Aktiver Transport über Ionenpumpen: „primär“ aktiver Ionentransport unter ATP-Verbrauch ATPasen des P-Typs (Na+/K+ und Ca2+- ATPasen) pumpen Ionen und nutzen dazu Energie aus ATP-Hydrolyse (- Andere ATPasen (Typ F in Mitochondrien und Typ V in Lysosomen pumpen Protonen) => Natrium/Kalium ATPase generiert die ungleiche Verteilung von Natrium und Kalium 2. Erleichterte Diffusion über Carrier: sekundär/tertiär aktiver Stofftransport, ermöglicht Transport gegen den Konzentrationsgradienten Glucose-Na+-Cotransport nutzt starken elektrochem. Gradient von Na+ um Transport von Glucose gegen Konz.gradienten in der Zelle > Nach Bindung von Na+ entsteht durch Konformationsänderung höhere Affinität zu Glucose 3. Erleichterte Diffusion über Ionenkanäle: erleichterte Diffusion von Ionen durch wässrige Poren in der Plasmamembran. (Spannungsgesteuert; Ligandengesteuert, Mech.gesteuert)

13. Na+ K+ ATPase: Welche Aussage zur Na+ K+ ATPase ist richtig? -> Pro Pumpzyklus werden zwei Kalium in die Zelle hinein gepumpt und drei Natrium aus der Zelle hinaus

14. Welche Aussage zu Ionenkanälen in der Plasmamembran von Nervenzellen ist FALSCH? a) Nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren bestehen aus fünf Untereinheiten b) K+-Kanäle tragen maßgeblich zu Ausbildung des Membranruhepotentials bei c) Während einer Membrandepolaristation sind spannungsabhängige Na+ Kanäle anhaltend aktiv (Bei einer Depolarisation wird der deaktivierte Kanal stimuliert und dadurch geöffnet. Inaktivierte Natriumkanäle sind hingegen durch ein "Inaktivierungstor" im Inneren des Kanals blockiert. Das Inaktivierungstor ist im unerregten Zustand der Zelle offen und wird erst durch den raschen Natriumeinstrom während Depolarisation geschlossen. Es limitiert dadurch den weiteren Ioneneinstrom und wird erst nach der Repolarisation wieder geöffnet)

d) Die erregende synaptische Transmission im Zentralnervensystem von Wirbeltieren wird primär durch ionotrope Glutamat-Rezeptoren vermittelt e) Die Poren-bildenden Untereinheiten von spannungsabhängigen Ca2+- Na+ und K+ Kanälen sind homolog aufgebaut

Das Aktionspotential Die Ladung entlang einer Membran kann von dieser nicht abgeschirmt werden, sodass es zur Entstehung eines Diffusionspotentials an der Membran kommt, welches man Ruhepotential nennt. Es beträgt normalerweise -70mV. Elektrochemische Kommunikation erfolgt durch Veränderung dieses Ruhepotential. Diese Änderung wird als Aktionspotential bezeichnet Das Aktionspotential: - Ein Aktionspotential ist die schnelle Verschiebung des Membranpotentials in positive Richtung (Depolaristation); gefolgt von einer Rückkehr zum Ruhepotential (Repolarisation) - AP entstehen in Nerven und Muskeln und läuft stereotypisch in vier Phasen ab: > Natrium-Leck-Kanäle sind nicht häufig exprimiert Ruhemembranpotential: > Kalium-Leck-Kanäle schließen sich nie; permanent offen (Natrium strömt in die Zelle; Kalium aus der Zelle heraus) > „Normale“ Natrium und Kalium Kanäle > Spannungsabhängig > Natrium-Kalium-ATPase pumpt immer drei Natrium in die Zelle hinein und 2 Kalium hinaus) > Glutamat-Transporter: transportiert im Symport

Phasen des Aktionspotentials: 1. Ruhepotential : • Erregbarer Grundzustand • Fließgleichgewicht von K+ und Na+ › Extrazelluläre Na+ Konzentration hoch › Intrazelluläre K+ Konzentration hoch 2. Schwellenpotential: • Beginnender Anstieg des Zellpotentials über eine kritische Schwelle (Stellt sicher, dass nur relevante Reize weitergeleitet werden) • Neurotransmitter binden von außen an Rezeptoren in der Zellmembran › Führt zur Öffnung der mit den Rezeptor verbundenen Na+ Kanäle -> Na+ Einstrom • Ist ein Schwellenpotential von etwa -55 mV erreicht, öffnen sich zusätzlich spannungsabhängige Na+ Kanäle; K+ Kanäle beginnen sich zu schließen • Reiz unterhalb der Aktivierungsschwelle führt nicht zu einer Öffnung der spannungsabhängigen Na+ Kanäle 3. Depolarisation: • Umleitung des Reizes in ein weiterleitbares elektrochemischen Potential • Umfasst den steil aufsteigenden Teil der Potentialkurve von der Reizschwelle (ca. -70 bis -50mV) bis zum Reizmaximum des AP (ca.+30mV) • Hauptsächlich verantwortliches Kation: Natrium (Na+) › Massiver Na+ Ionen Einstrom durch spannungsabhängige Na+Kanäle › Membran nähert sich dem Na+ Gleichgewichtspotential (+60mV) • K+ Kanäle fast vollständig geschlossen 4. Repolarisation: • Rückkehr zum Grundzustand

• Hauptsächlich verantwortliche Kationen: Kalium (K+) › Spannungsabhängige K+ Kanäle öffnen sich › Beginnender K+ Ausstrom • Inaktivierung der spannungsabhängigen Na+ Kanäle › Verminderter Na+ Einstrom 5. Hyperpolaristation: • Zustand der Na+ Kanäle ändert sich von geschlossen-inaktiv zu geschlossen-aktivierbar › Vergrößert die Reizschwelle › Teil der Refraktärzeit • Hauptsächlich veranwortliches Kation: Kalium (K+) › Spannungsabhängige K+ Kanäle öffnen sich › Beginnender K+ Ausstrom • Inaktivierung der Spannungsabhängigen Na+ Kanäle › Verminderter Na+ Einstrom

6. Refraktärzeit:

• Bezeichnung für die Zeit nach einer Depolarisation, in der die Zelle nicht oder nur schwer und schwächer erregt werden kann › Regulation der AP-Frequenz › Verhindert das Zurücklaufen eines Reizes • Absolute Refraktärphase:› Na+ Kanäle sind inaktiviert und es kann kein neues AP ausgelöst werden, unabhängig davon wie stark der eintreffende Reiz ist • Relative Refraktärphase: › Einige Na+ Kanäle sind wieder aktivierbar, haben jedoch eine erhöhte Reizschwelle, sodass nur ein starker Reiz ein neues AP auslösen kann › Dieses AP hat dann auch eine niedrige Amplitude als „normales“ AP

• Um das Schwellenpotential zu überschreiten und ein Aktionspotential auszulösen, muss das Membranpotential einer Nervenzelle um ca. 10-30 mV verschoben werden • Ionenfluss, der unkontrolliert stattfindet und lediglich auf den Abbau des Konzentrationsgradienten zurückzuführen ist, bezeichnet man als Leckstrom Phasen eines Aktionspotentials (kurz): 1. Ruhezustand Hohe Kaliumleitfähigkeit ( gK+ >> gNa+) (Vm nahe EK+) 2. Depolarisationsphase Öffnen von Natriumkanälen (gNa+ >> gK+) (Vm nähert sich ENa+) 3. Repolarisationsphase Natriumkanäle inaktivieren, verzögert Kaliumkanäle öffnen (gK+>>gNa+) (Vm nähert EK+) 4. Erneuter Ruhezustand Natriumkanäle inaktivieren , verzögert Kaliumkanäle öffnen (gK+>>gNa+) (Vm nähert EK+)

• Die Dauer eines Aktionspotentials hängt davon ab, um was für einen Zelltyp es sich handelt. Neuronen › ca 1ms Skelettmuskelzelle › ca 1...