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Zusammenfassung der Inhalte Neuronale Informationsverarbeitung, Verhaltensbiologie, Aufbau und Organisation der Zelle, Enzyme und Evolutionsbiologie aus dem Jahr 2018, 12. Klasse Bayern...

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II. Neuronale Informationsverarbeitung !. Reiz-Reaktions-Schema Reize: Physikalische und chemische Zustände bzw. Zustandsänderung, welche ein Lebewesen registrieren kann Adäquater Reiz: Reiz, für den ein Rezeptor ausgelegt ist Inadäquater Reiz: Unpassender Reiz - Nur überschwellige Reize werden von den Sinneszellen registriert - Nur Reize, für die der Rezeptor passt werden registriert  Die Wahrnehmung erfolgt im Gehirn

2. Bau von Nervenzellen Eine Nervenzelle (Neuron) besteht aus den Zellabschnitten Soma, Dendriten, und Axion mit Endknöpfchen (Synapse) Bauteil Zellkörper Dendriten Axonhügel Axon Synapsen Myleninscheide Ranvier`scher Schnürring

Aufgabe Stoffwechsel / Verarbeitung der Information Empfang von Signalen von anderen Neuronen und Weiterleitung zum Soma Auslösen der Aktionspotentiale bi Überschreiten des Schwellenwerts Weiterleitung der Aktionspot. In Richtung Endknöpfchen Übertragung von Informationen auf Neuronen/ Zielzellen Lipidreiche Hülle um die Axone von Wirbeltierneuronen Schutz, Isolierung, Stützen, Stoffwechsel Erhöhung der Leitungsgeschwindigkeit

2 Typen von Nervenzellen

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Markhaltige / myelinisierte Nervenfasern: Axone mehrfach von Schwann`schen Zellen umgeben Innere Windungen = Myelin aus dichten Schichten aus Lipiden und Proteinen Gesammte Hülle: Myelin- Markscheide Lücken = Ranvier`scher Schnurring ( 1- 3 mm) Vorkommen: Wirbeltiere

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Merklose / nicht myelinisierte Nervenfasern Axone nur locker von Schwann`schen Zellen umgeben Vorkommen: Nervenfasern der Eingeweidenerven von Wirbeltieren, Nervenfasern Wirbellose

3. Messung des Membranpotentials a) Messung des Membranpotentials Ruhepotential: elektrische Spannung, die zwischen dem Außen- und dem Innenmedium an der Membran einer unerregten Nervenfaser gemessen wird.

Zeit: ms Spannung: mv

Zeigt Membranspannung an ( ca. 70 mv

b) Ursachen des Ruhepotentials

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Vermehrt positiv geladene Kaliumionen an der Innenseite der Zellmembran ( 30x)  Konzentrationsgradient K+- Ionen wandern nach außen elektrischer Gradient „ruhendes“ Membranpotential = Ruhepotential

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Selektive Permeabilität  Transmembranprotein als Ionenkanäle (aktiv + passiv) Ruhepotential: passive Ionenkanäle (nicht verschließbar) K+- Konzentration im Zellinneren hoch  K+-Ausstrom entlang des Konzentrationsgefälles ( Diffsion) Große organische Anionen (A-) können die Ionenkanäke nicht passieren  A- bleiben in der Zelle zurück  Zellinnenraum lädt sich negativ auf Cl- -Ionen diffundieren begrenzt von außen nach innen  Erhöhung der Potentialdifferenz an der Membran Einige Na+-Kanäle geöffnet  Na+-Ionen diffundieren nach innen  Erniedrigung der Potentialdifferenz an der Membran Ruhepotental: ca. -70 mv

c) Aufrechterhaltung des Ruhepotentials Die Zellmembran ist kein zuverlässiger Ionenfilter. Die Potentialdifferenz würde sich auf Dauer ausgleichen, weil infolge des Konzentrationsgradienten ständig Na+-Ionen nach außen diffundieren würden Leckströme Diese Leckströme werden durch die Natrium – Kalium – Ionenbilder ausgeglichen. Bei einem Pumpzyklus werden unter ATP verbuchen zwei Na+- Ionen aus der Zelle heraus transportiert

4. Das Aktionspotential a) Entstehung des Aktionspotential - Physikalische oder chemische Reize lösen in Sinneszelle Potentialänderung aus - Auslösung an der Axonmembran

Ruhepotential: Na+ / K+ -Pumpen stellen Ruhepotential wieder her Depolarisierung: Ab einem Schwellenwert von -50mv öffnen sich die Spannungsgesteuerten Na+-Kanäle (Dauer: 1ms) Repolarisation: Öffne der spannungsgest. K+-Kanäle und Schließen der spannungsgest. Na+-Kanäle (Dauer: 1 ms) Hyperpolarisation K+- Ausstrom ist so stark, dass das Zellinnere negativer wird als beim Ruhepotential (Dauer: 2ms) b) Eigenschaften eines Aktionspotentials 1 und 2: Reizelektrode mit dem Pluspol verbunden  positive Ladung gelangt ans Axonsinnere  Abschwächung des RP lokales Potential  Es wird kein Aktionspotential ausgeglichen 3 und 4: Ab einer bestimmten Reizschwelle (ca. 50 mv) kommt es zur Ausbildung eines APs (Depolarisierung ist immer gleich stark) 5: Reizelektrode ist mit dem Minuspol verbunden  negative Ladung gelangt ans Axoninnere  Verstärkung des RPs

 Hyperpolarisation Das Aktionspotential verläuft nach dem Alles- oder- Nichts- Prinzip 6: Bei zwei kurz hintereinander auftretenden Reizen löst der weite Reiz kein AP aus (unter 2 ms) Absolute Refraktärzeit: Zeit, in der an einem Reizort wegen der Inaktivität der Ionenkanäle trotz Depolarisation keine neue Erregung ausgebildet werden kann Relative Refraktärzeit: Verminderte Erregbarkeit, der Schwellenwert ist höher als normal c) Codierung durch Aktionspotentiale Die Intensität eines physikalischen Reizes wird in der Nervenzelle als Erregung durch die Häufigkeit der Aktionspotentiale codiert  Frequenzcodierung

5. Erregungsfortleitung

a) Kontinuierliche Erregungsfortleitung -Modell: Domino (gleichmäßig, egal wie lang) -Funktionsweise: - Depolarisation am Ursprung lokaler Stromfluss  Erregung der spannungsgest. U. benachbarten Ka+-Kanäle  Öffnung der benachbarten Na+-Kanäle  Na+-Einstrom  Depolarisation bis zum Schwellenpotential (an der neuen Stelle) kontinuierliche Erregungsfortleitung Aber: Nur in eine Richtung vom Axonhügel aus möglich Grund: Na+-Kanäle im zurückliegenden Abschnitt sind refraktär - Weitergabe des Aktionspotentials ohne Abschwächung  Erhaltung der Amplitude - Ausläufer der Depolarisation der Axonmembran stimuliert benachbarte Spannungsgesteuerte Na+-Kanäle  Stimulierung des Membranausschnittes bis zum Schwellenwert  Das Aktionspotential ist Selbsterregend

- Alles oder nichts Prinzip, Ausbreitung in eine Richtung  vom Axon in Richtung Synapse  Geschwindigkeit Abhängigkeit vom Durchmesser (größer = besser) -Vorkommen: Wirbellose Tiere -Geschwindigkeit: 25 m/s -Evolution: Vorteil durch bessere Fluchtreflexe  Dickere Axone in den Fluchtreflexsystemen  Schnellere Reaktion = höhere Überlebenschancen b) Saltatorische Erregungsfortleitung -Vorkommen: Wirbeltiere  Erhöhter Membranwiderstand  geringe elektrische Kapazität - Max. Rkt.-Geschwindigkeit: 120 m/s -Vorteile: erhöhte Fortleitungsgeschwindigkeit, verminderter Energieverbrauch, verlustarme Fortleitung Prinzip Isolation:  verhindert Leckströme (Ladung geht früher raus)  höherer Membranwiderstand  verhindert elektrische Kapazität Ladungen gehen in Längsrichtung

a) Erregungsübertragung an chemischen Synapsen

- Aktionspotential erreicht Endknöpfchen - Spannungsg. Ca2+-Kanäle öffnen sich  Einstrom von Ca2+-Ionen ins Endknöpfchen entlang des Konzentrationsgradienten - Eingeströmte Ca2+-Ionen veranlassen Vesikel, mit der präsynaptischen Membran zu verschmelzen - Versikel entlassen den Neurotransmitter Acetylcholin (ACh) in den synaptischen Spalt

- ACh diffundiert (...