Das Neuron: Aufbau und Funktion

Aufbau des Neurons

• Neuronen im Nervensystem haben einen ähnlichen Bauplan.
• Der Zellkörper eines Neurons wird als Soma bezeichnet und macht nur einen Teil der Nervenzelle aus.
• Ein typisches Neuron hat ein Soma mit einem Durchmesser von etwa 20µm.
• Im Soma befinden sich Zellkern, Mitochondrien und Strukturen für die Proteinbiosynthese; es steuert Wachstum und Stoffwechselprozesse.
• Ein wesentlicher Unterschied zu anderen Zelltypen ist das Axon, ein bis zu 1m langer Zellfortsatz.
• An den verzweigten Axonenden befinden sich Synapsenendknöpfchen.
• Der Übergang zwischen Soma und Axon wird als Axonhügel bezeichnet.
• Der spezielle Aufbau dient der Informationsübertragung über größere Strecken.
• Am Soma befinden sich Zellfortsätze, die Dendriten genannt werden.
• Neuronen stehen über Synapsenendknöpfchen mit den Dendriten benachbarter Neuronen in Kontakt.
• Die Kontaktstellen werden Synapsen genannt.
• Jedes Neuron im Gehirn eines Erwachsenen hat durchschnittlich über 10.000 Synapsen.
• Neuronen sind mit Nachbarneuronen verbunden.

Gliazellen

• Gliazellen sind neben Neuronen im Nervensystem von Wirbeltieren vorhanden.
• Astrozyten sind die häufigsten Gliazellen mit unregelmäßigen Zellkörpern und langen Fortsätzen.
• Astrozyten beeinflussen das Wachstum der Neuronen und regulieren die chemische Zusammensetzung der extrazellulären Umgebung.
• Astrozyten sind Bestandteil der Blut-Hirn-Schranke und verhindern das Eindringen giftiger Substanzen aus dem Blut ins Gehirn.
• Es wird angenommen, dass Astrozyten wichtig für die Ernährung der Neuronen sind.
• Mikrogliazellen sind für die Beseitigung abgestorbener oder degenerierter Neuronen zuständig.
• Andere Gliazellen sind an der Gehirnentwicklung beteiligt.

Axone der Wirbeltierneuronen

• Axone der meisten Wirbeltierneuronen haben eine Myelinscheide.
• Myelinscheiden werden von Schwann-Zellen gebildet, welche die Axone umwickeln und elektrisch isolieren.
• Schwann-Zellen bilden die Myelinscheide nur im PNS.
• Im ZNS übernehmen Oligodendrozyten diese Aufgabe.
• Die Myelinscheide ist in regelmäßigen Abständen unterbrochen (Ranviersche Schnürringe).
• Ranviersche Schnürringe sind wichtig für die Erregungsleitung der elektrischen Signale.

Geladene Teilchen im Neuron

• Im Zytoplasma eines Neurons sind unterschiedlich geladene Ionen gelöst, insbesondere positiv geladene Kaliumionen und negativ geladene organische Aminosäurereste und Proteine.
• Geladene Teilchen verteilen sich gleichmäßig in der Lösung durch Diffusion.
• Eine Spannung ist nicht messbar, da sich die Ladungen der Ionen aufheben.
• Das Zytoplasma leitet jedoch elektrischen Strom.
• Positive Kaliumionen wandern zur negativ geladenen Kathode (Kationen).
• Negative organische Anionen wandern zur positiv geladenen Anode.

Trennung von Ladungen

• Das Neuron ist von der Lipiddoppelschicht der Zellmembran umhüllt.
• Die Konzentrationen der Ionen sind auf der Innen- und Außenseite unterschiedlich.
• Die Membran bildet eine natürliche Barriere und wirkt als elektrischer Isolator.
• Ein Konzentrationsausgleich durch Diffusion ist nicht möglich.
• In der Membran der Neuronen befinden sich Tunnelproteine, die als Ionenkanäle bezeichnet werden.
• Ionenkanäle sind selektiv für bestimmte Ionen und beeinflussen den Ionenfluss durch die Membran.

Elektrische Stromstärke und Spannung

• Elektrischer Strom wird durch die Bewegung von elektrischen Ladungen erzeugt.
• Die Stromstärke (I) ist höher, je größer die Ladungsmenge ist, die in einer bestimmten Zeit durch den Querschnitt eines Ionenkanals fließt (gemessen in Ampere, A).
• Die Zellmembran bewirkt eine Ladungstrennung zwischen der Zellinnen- und der Zellaußenseite.
• Jede Seite hat ein bestimmtes elektrisches Potenzial.
• Die Differenz zwischen beiden Potenzialen wird als elektrische Spannung (U) bezeichnet (gemessen in Volt, V).
• Die Spannung steigt mit dem Ladungsunterschied zwischen der Zellinnenseite (Anode) und der Zellaußenseite (Kathode).

Physikalische Aspekte in Zellen

• In einer Zelle befinden sich gleiche Konzentrationen positiv geladener Kaliumionen (K+) und negativ geladener organischer Anionen (A-).
• Außerhalb der Zelle befinden sich keine Ionen in der Lösung.
• Wenn sich Kaliumionenkanäle öffnen, diffundieren Kaliumionen nach außen.
• Je höher der Konzentrationsgradient, desto größer die Nettodiffusion.
• Außen nimmt die Anzahl der positiven Ladungen zu, während innen ihre Anzahl abnimmt.
• Organische Anionen können die Membran nicht passieren, wodurch im Zellinneren die negativen Ladungen überwiegen.
• Es entsteht eine Potenzialdifferenz zwischen innen und außen, die als Spannung messbar ist. Die Außenseite wird willkürlich auf 0 gesetzt.
• Je mehr Kaliumionen aus der Zelle diffundieren, desto größer wird die Potenzialdifferenz und die gemessene Spannung steigt.
• Die Anziehungskräfte der im Zellinneren zurückbleibenden Anionen auf die Kaliumionen wachsen.
• Bei einer bestimmten Potenzialdifferenz findet kein Nettoausstrom der Kaliumionen mehr statt und die Spannung verändert sich nicht mehr.
• Die Anziehungskräfte und die Konzentrationsgradienten wirken entgegengesetzt.
• Die bei diesem Gleichgewicht vorliegende Spannung ist das Gleichgewichtspotenzial.