Nervenzellen (Neuronen): wichtigste Aufgabe ist die Informationsverarbeitung. Gliazellen: Keine Informationsverarbeitung, Stütz- und Hüllfunktionen.

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1 Tutoriat zur Vorlesung Die Bausteine der Gehirnfunktion; Zellen und Zellverbände im HS Was sind die wesentlichen Bausteine des Gehirns? Nervenzellen (Neuronen): wichtigste Aufgabe ist die Informationsverarbeitung. Gliazellen: Keine Informationsverarbeitung, Stütz- und Hüllfunktionen. Wie ist die Grobstuktur von Neuronen und aus welchen wesentlichen Teilen bestehen Neurone? Grobstruktur: Dendriten Zellkörper (Soma) Axon Wesentliche Teile: Zellkern (Nucleus) Zellorganellen Zytoplasma Zellmembran (das Neurolemm) Kanal- oder Membranproteine Welche grundsätzliche Funktion haben Dendriten, das Axon und der Zellkörper? Dendriten: dienen der Informationsaufnahme. Sie erhalten Informationen von anderen Neuronen. Zellkörper: Integration der Informationen, die die Dendriten und der Zellkörper selbst aus anderen Zellen erhalten. Axon: Informationen aus dem Zellkörper werden weitergeleitet zu anderen Zellen. Was besagt die Neuronen-Hypothese? Die Neuronen-Hypothese (Ramon y Cajal) postuliert, dass Neuronen die Grundeinheiten der Gehirnfunktionen sind. Mit welcher Färbemethode kann man die Pyramidenzellen färben, um sie besser sichtbar zu machen? Pyramidenzellen können mittels der Golgi-Technik gefärbt werden. Dabei wird eine dünne Schicht von Gehirngewebe in eine Lösung aus Silbernitrat und anderen Chemikalien gelegt, so dass die Pyramidenzellen sichtbar gemacht werden können. Charakterisieren Sie die Aufgaben von Neuronen? Informationsaufnahme und verarbeitung Informationsweitergabe Ansteuerung von Muskeln

2 In grossen Verbänden regulieren die Neuronen die grundlegenden Rhythmen des Gehirns In grossen Verbänden organisieren Neuronen sämtliche sensorischen, kognitiven und emotionale Funktionen Das menschliche Gehirn besteht aus ca Neuronen. Beschreiben Sie die detailliert die Struktur eines Neurons. Dendriten dienen der Informationsaufnahme; 1-20 Dendriten pro Neuron; Dendritenoberfläche wird durch kleine Auswüchse, Dendritic spines (Dornen, Stachel) genannt, vergrössert. Je grösser Dendritisierung (Antennenstruktur) desto komplexer die Informationsaufnahme. Zellkörper (Soma): Integration der Informationen, die die Dendriten und der Zellkörper selbst aus anderen Zellen erhalten. Beinhaltet den Zellkern (Nucleus) Axonhügel: Extension des Zellkörpers; Generiert Aktionspotentiale. Axon (Neurit): Informationen aus dem Zellkörper werden weitergeleitet. Beginnt am Axonhügel. Axonkollaterale: Axon kann verschiedene Äste haben. Teleodendria: mehrere feinere Äste am Ende des Axons. Terminale Verdickungen (synaptische Endknöpfchen): Verdickungen am Ende der Teleodendria; Diese sind nah an den Dendriten anderer Neuronen, berühren diese jedoch nicht direkt Synapse: besteht aus 3 Teilen, nämlich einer terminalen Verdickung eines Neurons (präsynaptische Membran) einem Dendrit eines anderen Neurons (postsynaptische Membran) und dem Raum zwischen diesen beiden (synaptischer Spalt). Welche Neuronen-Typen kennen Sie und welche Aufgaben haben diese? Die im Nervensystem befindlichen Neuronen unterscheiden sich auf mehrere Weise in Aufbau und Funktion. Optisch lassen sie sich dabei sehr gut durch die Art und Anzahl ihrer Fortsätze klassifizieren. Es gibt unipolare Nervenzellen, die nur mit einem einzigen, kurzen Fortsatz ausgestattet sind. In der Regel entspricht dieser dem Axon. Man findet sie beispielsweise als primäre Sinneszellen in der Netzhaut des Auges. Bipolare Nervenzellen haben zwei, an gegenüberliegenden Stellen des Zellkörpers entspringende Fortsätze. Auch sie befinden sich in der Netzhaut des Auges und sind unter anderem im Hör- und Gleichgewichtsorgan anzutreffen. Ebenfalls über zwei Fortsätze verfügen die pseudounipolaren Nervenzellen. Dort jedoch gehen Axon und Dendrit an ihren Mündungsstellen ineinander über. Man findet sie bei Sinneszellen, deren Perikaryen in den Spinalganglien liegen. Als vierte und sehr häufig vorkommende Gruppe sind die multipolaren Nervenzellen zu erwähnen. Sie besitzen zahlreiche Dendriten und ein Axon. Diesen Zelltyp findet man zum Beispiel als motorische Nervenzelle im Rückenmark. Funktionell kann man verschiedene Arten von Neuronen unterscheiden: Sensorische Neurone: leiten Informationen zum zentralen Nervensystem. Für die sensorische Verarbeitung zuständig.

3 Interneurone: für die Integration von sensorischen und motorischen Informationen im ZNS Assoziationszellen (stellate cell): kleine Zelle mit vielen Dendriten; aufgrund der vielen Dendriten kann man das Axon nur schlecht sehen; Pyramidenzellen: haben ein langes Axon, einen pyramidenförmigen Zellkörper und zwei Gruppen von Dendriten und zwar einen beim Apex des Zellkörpers und die anderen seitlich des Zellkörpers, häufigste Form eines Neurons im Kortex. Purkinje Zellen: Art von Pyramidenzellen mit extrem verzweigten Dendriten (z.b. im Cerebellum). Motorneurone leiten Informationen vom Gehirn und Rückenmark (RM) zu den Muskeln. Sind für die motorische Verarbeitung zuständig. Haben ein ausgedehntes Netz von Dendriten, einen grossen Zellkörper und ein langes Axon, welches Informationen zu den Muskeln leitet. (z.b. im RM) Wie kommunizieren Neurone grundsätzlich miteinander? Nennen sie nur die grundsätzlichen Prinzipien. Über elektrische und chemische Informationswege. Wie ist die grundsätzliche Sprache des Gehirns, oder anders ausgedrückt, welches sind die beiden wichtigen Informationsverarbeitungsprinzipien des Nervensystems? Erregung und Hemmung werden zu Nettoerregung verrechnet. Was sind Gliazellen? Gliazellen sind Stütz- und Hüllzellen. Im Gegensatz zu Neuronen sind Gliazellen nicht für die Informationsverarbeitung verantwortlich. Jedoch unterstützen sie die Neuronen bei der Informationsübertragung und beim Stoffwechsel. Gliazellen werden ständig neu gebildet und ersetzt. Welche Typen von Gliazellen kennen Sie? Astrozyten Ependymzellen Mikroglia Schwannsche Zellen Oligodendroglia Welche Aufgaben haben Ependymzellen? Ependymzellen: kleiden die Wände der Ventrikel aus. Produzieren (mit dem Plexus choroideus) Cerebrospinalflüssigkeit (CSF) und geben diese in den Ventrikel ab. CSF dient als Puffer bzw. Schutz des Nervengewebes Was sind Schrecksen? Eine Gruppe weiblicher, mit der Gabe der Zukunftsvorhersage gesegneter Wesen von gewöhnungsbedürftigem Äußerem. Schrecksen lieben schwarze Gewänder, dramatische Auftritte, Schrecksenflüche und das Brauen von übelriechenden

4 Tränken in großen eisernen Kesseln. Ihre Aussagen sind im Allgemeinen eher vage, sie verschweigen ihrer Kundschaft gern Schlechtes, da sie für ihre Dienste bezahlt werden möchten. Schrecksen vermögen jedoch mit der für sie quälenden Methode der Albtraumanalyse, überraschend präzise Vorhersagen zu machen. Beschreiben Sie die Funktion der Astroglia. Astroglia (auch Astrozyten genannt) docken an Neurone und Blutgefässe an und verbinden diese beiden miteinander. Mehrere solcher angedockter Astroglia bilden die sogenannte Blut-Hirn-Schranke (BHS). Neben der Generierung der BHS als Hauptfunktion, versorgen die Astroglia auch die Neurone mit Nährstoffen, sind für die Vasodilatation (Erweiterung) der Blutgefässe und die Narbenbildung von Bedeutung. Vasodilatation = Erweiterung der Blutgefässe. Das Gehirn musst immer mit O2 versorgt werden. Die Neurone teilen der Astroglia mit, dass sie O2 brauchen, darauf hin sorgt die Astroglia dafür, dass das Blutgefäss erweitert wird und sauerstoffangreichertes Blut anfliessen kann. Narbenbildung: Bei bestimmten Demenzerkrankungen stirbt Astroglia ab. Es bleibt nur ein Resthäufchen übrig, welches als Plaque benannt wird und für die Diagnose solcher Krankheiten von Bedeutung ist, weil man es mit bildgebenden Verfahren sichtbar machen kann. Was ist die BHS? Ein Art Schutzmauer, die aus Astroglia besteht und das Gehirn davor schützen soll, durch toxische Substanzen verletzt oder zerstört zu werden. Dank der BHS gibt es relativ wenige entzündliche Erkrankungen des Gehirn. Welche Substanzen können die BHS passieren und welche nicht? Kleine ungeladene Moleküle können die BHS passieren (Übertritt von der Blutbahn in das Hirngewebe). Beispiele: O2 und CO2, aber auch Alkohol, Nikotin und andere psychaktive Substanzen. Auch grosse Moleküle können mittels aktiven Transport über die BHS transportiert werden. Typische Beispiele sind: Aminosäuren, Glucose, Fette. Grosse und geladene Moleküle können nicht die BHS passieren. Welche Aufgabe hat die Mikroglia? Mikroglia ist in den Heilungsprozess eingebunden. Ihre Hauptaufgabe besteht darin durch Phagozytose (Zellauflösung) Abfallprodukte des Zellstoffwechsels fortzuschaffen.

5 Was ist ein Homunkel? Ein Homunkel ist ein von den Hellingen erschaffener Alchimistenstreich, ein Art multifunktionales Arbeitswesen. Es ist sprachfähig und wird in der sogenannten Muttersuppe erzeugt. Homunkel rebelllieren allerdings gerne und werden daher häufig Berufen wie Mechaniker oder Kläranlagenarbeiter zugeteilt: Das Mechaniker-Homunkel besitzt meistens nütliche Werkzeuge wie zum Beispiel Zangen oder Krallen, viele Arme ( Finger, Beine) oder spitze Zähne. Das Kläranlagenarbeiter-Homunkel besitzt meistens kaum feinmotorische Gliedmaßen, sondern eher Flossen, Schwimmhäute oder anderes. Bei guter Pflegung können Homunkel sehr treu und anhänglich sein und werden von aristokratischen und patrizischen Hellingen auch gerne als Leibdiener gehalten. Bekannt sind die Taten eines Homunkels namens Riebesehl, der eine rühmliche Rolle bei der Zerstörung des Theaters der schönen Tode und der Befreiung der Wolpertinger aus der Gefangenschaft des wahnsinnigen letzten Gaunabs spielte. Welche Aufgabe hat die Oligodendroglia und die Schwannschen Zellen? Oligodendroglia sind für die Myelinummantelung der Axone im ZNS (=Gehirn und RM) verantwortlich. Schwannsche Zellen sind für die Myelinummantelung der Axone im PNS verantwortlich. Wo kommen Schwannsche Zellen bzw. Oligodendrogliazellen vor? Oligodendroglia kommt im ZNS vor. Schwannsche Zellen kommen im PNS vor. Wie funktioniert prinzipiell die Neuronenreparatur (neural repair)? Wird ein peripherer Nerv durchtrennt, degeneriert der Axonteil, der noch am Zellkörper gebunden ist. Mikroglia entsorgen die Reste dieses Axonteils. Die Schwannschen Zellen des abgestorbenen Axon schrumpfen als erstes. Danach teilen sich diese Zellen und bilden viele kleine Gliazellen, die sich entlang des ursprünglichen Axons ausrichten. Auf diese Weise bilden die Schwannschen Zellen praktisch einen markierten Weg (wie eine Kette aus Leuchttürmen) für das neue Axon. Anschliessend schickt das Neuron Axonkollaterale aus, die diesen Weg suchen. Der Axonkollateral, der diesen Weg von Leuchtturm zu Leuchtturm findet, wird zum neuen Axon. Um das neue Axon bilden die Schwannschen Zellen einen neuen Myelinmantel. Funktioniert die Neuronenreparatur im ZNS und im peripheren Nervensystem gleich gut? Nein, die Neuronenreparatur funktioniert nur im PNS, aber nicht im ZNS. Daher gibt es bis heute keine bahnbrechende Therapie bei Querschnittlähmung. Warum funktioniert die Neuronenreparatur nur in der Peripherie?

6 1) Astroglia bilden eine Narbe, um eine beschädigte Region im ZNS abzusperren. Jedoch bilden sie dadurch auch eine Barriere für wiederwachsende Axone. 2) Oligodendroglia können sich nicht teilen und den wachsenden Axonen den Weg weisen, wie es Schwannsche Zellen tun können. Der Grund dafür ist, dass in der Oligodendroglia ein Antiwachstungsagent (NOGO) abgestossen wird. Dieser Mechanismus ist vermutlich sinnvoll, um ein zufälliges Wachstum von Axonen zu verhindern. Welche Elemente kommen im ZNS vor? Es gibt 10 Elemente, die vorrangig im ZNS vorkommen, nämlich: Wasserstoff H Kohlenstoff C Sauerstoff O Stickstoff N Calcium Ca Phosphor P Kalium K Schwefel S Natrium Na Chlor Cl Erklären Sie die Wasserstoffbrückenbindung. Ein Wasserstoffmolekül (H20) besteht aus 2 Wasserstoffatomen (H) und einem Sauerstoffatom (O). Das O-Atom hat 6 Elektronen in der äusseren Hülle und tendiert dazu, die äussere Hülle auf 8 Elektronen aufzufüllen und gilt somit als reaktionsfreudig. Durch die Bindung mit 2 H-Atomen, die je ein Elektron in der äusseren Hülle tragen, kann sich das O-Atom diese 2 Elektronen mit den H-Atomen teilen und somit wird die äussere Hülle des O Atoms auf 8 Elektronen vervollständigt. Auf dieser Weise entsteht ein H2O-Molekül, das leicht polar ist. Diese Polarität beim H20-Molekül kommt dadurch zustande, dass die 2 Elektronen der H-Atome vom stärker positiv geladenen O-Atomkern stärker angezogen werden als von den H- Atomkernen. Deshalb ist auf der Seite des O-Atoms das H2O-Molekül leicht negativ und auf der Seite der H-Atome leicht positiv geladen. Durch diese Polarität wirken H2O-Moleküle elektrisch anziehen aufeinander, d. h. der eher positiv geladener Teil eines H2O-Moleküls zieht den eher negativ geladenen Teil eines anderen H2O- Moleküls an. Diese Anziehungskraft wird in der Chemie Wasserstoffbrückenbindung genannt. Was sind polare Moleküle? Ein polares Molekül (Dipolmolekül) ist ein Molekül mit einer ungleichen Ladung, so dass eine Seite des Moleküls negativ und die andere positiv geladen ist. Wie funktioniert die Salzlöslichkeit im Wasser? Unter Hydratisierung häufig auch mit Hydratation oder Hydration bezeichnet versteht man die Anlagerung von Wassermolekülen an gelöste Ionen. Dadurch entsteht eine Hydrathülle (auch als Hydrat-Sphäre bezeichnet).

7 Salze bestehen immer aus 2 Ionen, die sich gegenseitig anziehen und ein Kristallgitter bilden (z. Bsp. Na+ + Cl-= NaCl). Die polare Eigenschaft von H2O führt dazu, dass die Ionen, die für die Bildung eines Salzes verantwortlich sind (in diesem Fall Na+ und Cl-), getrennt werden. Die H2O-Dipole ordnen sich im elektrischen Feld entsprechend des Ions regelmässig an (d.h. negativer Pol des H2O-Moleküls zieht die positiv geladenen Ione und der positive Pol zieht die negativ geladenen Ione an). Die H2O-Moleküle bilden eine Hydrathülle und trennen auf diese Weise die Na+ und Cl--Ione voneinander. Aus welchen Bestandteilen (Organellen) besteht eine Nervenzelle? Zellmembran Zellkörper, Nucleus Endoplasmatisches Reticulum (ER) Golgi Körper Tubuli Mitochondrien Lyosomen Erklären Sie den grundsätzlichen Aufbau der Zellmembran. Woraus besteht der hydrophile bzw. hydrophobe Teil der Zellmembran? Die Zellmembran besteht aus einer phospholipiden Doppelschichtstruktur. Sie besteht somit aus 2 Teilen, nämlich: Hydrophiler Kopfteil (H2O-löslich) am äusseren Ende der Zellmembran. Dieser Teil zieht H2O an, da es polar ist. Hydrophiler Teil besteht aus einer Phosphorverbindung die an andere Atomen gebunden ist. Er hat einen positiv geladenen Teil am oberen Kopfende und einen negativen Teil in der Mitte. Zwei hydrophobe Schwänzchen gegen innen. Dieser Teil der Zellmembran ist apolar, d. h. er stösst H2O ab. Der hydrophobe Teil besteht aus Wasserstoff- und Kohlenstoffatomen. Was sind Gene? Ein Gen ist ein Abschnitt auf der Desoxyribonukleinsäure (DNS), der die Grundinformationen zur Herstellung einer biologisch aktiven Ribonukleinsäure (RNS) enthält. Bei diesem Herstellungsprozess (Transkription genannt) wird eine Negativkopie in Form der RNS hergestellt. Es gibt verschiedene RNS, die bekannteste ist die mrns (messenger RNS), von der während der Translation ein Protein übersetzt wird. Dieses Protein übernimmt im Körper eine ganz spezifische Funktion, die auch als Merkmal bezeichnet werden kann. Allgemein werden Gene daher als Erbanlage oder Erbfaktor bezeichnet, da sie die Träger von Erbinformation sind, die durch Reproduktion an die Nachkommen weitergegeben werden. Die Expression, das heißt die Ausprägung oder der Aktivitätszustand eines Gens, ist in jeder Zelle genau reguliert. Die Erforschung des Aufbaus und der Funktion und Vererbung von Genen ist Gegenstand der Genetik. Die Erforschung der Gesamtheit aller Gene eines Organismus (des Genoms) ist Sache der Genomik (engl. genomics). (Def. nach Wikipedia)

8 Was sind Chromosomen und aus welchen Nucleotiden bestehen Sie? Chromosomen (von griechisch: χρῶμα =Chroma, Farbe und σῶμα = Soma, Körper, also Farbkörperchen oder anfärbbares Körperchen ) sind die stofflichen Haupträger der Gene und damit der Erbinformation. Sie bestehen jeweils aus einem Molekül DNS, welches mit vielen Proteinen verpackt ist. Das Material aus dem die Chromosomen bestehen wird als Chromatin bezeichnet. Ein Nukleotid ist ein Molekül, das als kleinster Baustein von Nukleinsäuren (DNS und RNS) fungiert und auch im genetischen Code verwendet wird. Außerdem haben viele Arten von Nukleotiden lebensnotwendige regulatorische Funktionen in Zellen, beispielsweise das ATP, das camp und das GTP. Die Riesenmoleküle DNS und RNS sind aus insgesamt fünf verschiedenen Sorten von Nukleotiden zusammengesetzt, die in beliebiger Reihenfolge mit Hilfe von Atombindungen zum jeweiligen Makromolekül verknüpft werden können. Die dabei ablaufende Reaktion ist eine Kondensationsreaktion. Drei miteinander verbundene Nukleotide bilden die kleinste Informationseinheit, die in der DNS und RNS zur Kodierung der genetischen Information zur Verfügung steht. Man nennt diese Informationseinheit ein Codon. Wie heissen die fünf Nukleobasen (Nukleotide), die als Grundbausteine der DNS gelten: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin (T) In der DNS werden nur vier dieser Basen (A, G, C, T) verwendet, in der RNS ist die Nukleobase Thymin (T) gegen Uracil (U) ausgetauscht. Was passiert im Endoplasmatischen Reticulum (ER)? Im ER geschieht die Translation. Sobald die mrns das ER erreicht, wird der genetische Code der mrns von einem Ribosom abgelesen und in Aminosäuren übersetzt. Was versteht man unter der Transkription? Unter Transkription versteht man den Transfer der Information von DNS zu RNS. Anhand eines DNS-Strangs wird von frei-treibenden Nukleotiden ein RNS-Strang konstruiert. Dieser ist dem DNS-Strang sehr ähnlich, ausser dass das Nukleotid Thymin durch Uracil ersetzt wird. Die durch Transkription entstandene RNS nennt man auch mrns (messenger RNS). Was versteht man unter der Translation? Unter Translation versteht man den Transfer von Information von einer mrns in eine Polypeptidkette. Im Endoplasmatischen Reticulum liest ein Ribosom die Nukleotide der mrnsa ab. Dabei kodieren 3 Nukleotide (=Codon) 1 Aminosäure.

9 Das Ribosom bildet pro Codon 1 Aminosäure. Die einzelnen Aminosäuren sind miteinander verbunden und bilden zusammen eine Polypeptidkette. Welche Aufgabe hat die mrns? Die mrns ist für den Transport von genetischer Information zuständig. Es transportiert den genetischen Code aus dem Zellkern ins Endoplasmatische Reticulum. Was ist DNS? Die Abkürzung DNS bedeutet Desoxyribonukleinsäure. DNS sind Nukleinsäuremoleküle, die in Form einer Doppelhelix angeordnet sind. Was passiert an den Ribosomen? An den Ribosomen werden Codone (1 Codon = 3 Nukleotidbasen) in Aminosäuren übersetzt. Die Ribosomen bilden also die Proteine für die Polypeptidkette. Diesen Prozess nennt man Translation. Was ist ein Codon? Codon = Nukleotidtripplet, das eine Aminosäure kodiert. Was sind Proteine? Ein Protein ist ein organisches Molekül, das aus Ketten von Aminosäuren, die über Peptidbindungen miteinander verknüpft sind, besteht. Wieviele Di-Peptide können aus 20 Aminosäuren zusammengebaut werden? Ein Di-Peptid besteht aus 2 Aminosäuren. Man kann demzufolge 20*20 = 400 Di- Peptide zusammenbauen. Wieviele Tri-Peptide können aus 20 Aminosäuren zusammengebaut werden? Ein Tri-Peptid besteht aus 3 Aminosäuren. Man kann 20*20*20 = 8000 Tri-Peptide zusammenbauen. Was passiert im Golgi-Apparat? Das Einpacken von Proteinen in Vesikel, und das Adressieren. Danach werden die Proteine für den Transport an ihren Bestimmungsort auf Motormoleküle geladen. Wie werden Proteine vom Zellkörper in die Synapse transportiert? Die Proteine werden auf Motormoleküle geladen, die entlang den Mikortubuli an die Zielorte, z.b. das synaptische Terminal wandern. Was sind Rezeptoren?

10 Andockstellen an Proteine für Moleküle und andere Proteine. Diese binden sich nach dem Schlüssel-/Schloss Prinzip an den Rezeptor an, worauf das Protein seine Form ändert und neuen Funktionen dienen kann wie bspw. Pumpen oder Tore. Erläutern Sie das Grundprinzip der Membran-Kanäle, -Tore und Pumpen. Kanäle: Ein Protein in einer Zellmembran mit einer Öffnung, welche das Passieren von Ionen unter bestimmten Bedingungen erlaubt. Verschiedene Grössen erlauben das Durchkommen von verschiedenen Molekülen und Proteinen. Tore: Ein Protein in einer Zellmembran mit einer verschliessbaren Öffnung, welche das Passieren von Substanzen in geöffnetem Zustand erlaubt. Als Reaktion auf einen bestimmten Auslöser ändert sich die Form des Proteins, was die Öffnung oder Schliessung des Tores bewirkt. Pumpe: Ein Protein in einer Zellmembran, welches dem aktiven Transport dient. Es transportiert aktiv Ionen durch die Zellmembran. Wieviele Chromosomenpaare hat der Mensch? 23 Chromosomenpaare (22 autosomale Chromosomenpaare + 1 gonosomales Chromosomenpaar)