Chemie und Biochemie PDF

CHEMIE UND BIOCHEMIE Protonen, Neutronen und Elektronen Ein Atom besteht aus 1 Atomkern und mindestens 1 Elektron. Der Atomkern enthält Protonen und Neutronen. Die elektrische Ladung von Protonen ist positiv, die Elektronen auf den Elektronenschalen sind negativ geladen. Die Ladungen der Protonen un...

CHEMIE UND BIOCHEMIE Protonen, Neutronen und Elektronen Ein Atom besteht aus 1 Atomkern und mindestens 1 Elektron. Der Atomkern enthält Protonen und Neutronen. Die elektrische Ladung von Protonen ist positiv, die Elektronen auf den Elektronenschalen sind negativ geladen. Die Ladungen der Protonen und der Elektronen gleichen sich aus: Das Atom ist nach außen hin elektrisch neutral. Periodensystem und Edelgaskonfiguration Im Periodensystem gehören alle Elemente einer Zeile zu einer Periode, Sie gibt Auskunft über die Anzahl der Elektronenschalen. Elemente einer Spalte gehören zu einer Gruppe. In den Gruppen werden Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften zusammengefasst. Die Anzahl der Valenzelektronen (Elektronen auf der äußeren Schale) aller Elemente einer Gruppe ist gleich. Ist die Außenschale eines Atoms voll besetzt, liegt eine Edelgaskonfiguration vor. Sie ist sehr stabil und energetisch günstig. Alle Atome streben dieser Konfiguration an, was sie mehr oder weniger reaktionsfreudig macht. Chemische Bindungen Atome bzw. Moleküle sind untereinander über chemische Bindungen verbunden. Bei den Ionenbindungen kommt es zu einer Elektronenübertragung von einem Atom auf das andere, sodass das entstehende Molekül aus einem Anion und einem Kation besteht. Ionenverbindungen finden sich hauptsächlich in Salzen. Bei einer kovalenten Bindung teilen sich die beiden Bindungspartner dieselbe Elektronegativität, ist das entstehende Molekül unpolar. Unterscheiden sie sich in ihrer Elektronegativität, ist das entstehende Molekül polar (Dipol). Handelt es sich bei einem der Bindungspartner um Wasserstoff, entsteht meist ein starker Dipol, wobei der Wasserstoff den positiven Pol darstellt. Zwischen ihm und den negativen Polen umliegender Dipolmoleküle besteht eine elektrostatische Anziehungskraft, die zur Ausbildung einer Wasserstoffbrückenbindung führt. Die Anziehungskräfte zwischen unpolaren Atomen bzw. Molekülen werden als Van – der – Waals – Kräfte bezeichnet. Chemische Reaktionen Bei anabolen Reaktionen werden Stoffe aufgebaut. Im Körper entstehen so z.B.: Aminosäuren, Proteine und andere große Moleküle. Dafür wird Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) benötigt. Bei katabolen Reaktionen werden Stoffe abgebaut. Dabei wird Energie freigesetzt, die entweder in Form von ATP gespeichert oder als Wärme abgegeben wird. Redoxreaktionen bestehen aus 2 Teilreaktionen: der Oxidation, bei der ein Elektron abgegeben und der Reduktion, bei der ein Elektron aufgenommen wird. Damit Redoxreaktionen im Körper ablaufen können, werden Redoxcoenzyme (ATP, GTP, NAD+/NADH oder FAD+/FADH) benötigt. Säuren und Basen Säuren sind Stoffen, die Protonen (H+) abgeben, der Basen nehmen Protonen auf. Die Konzentration der H+- Ionen in einer Lösung wird als pH-Wert angegeben. Eine neutrale Lösung besitzt den pH-Wert 7,0. Liegt er darunter, handelt es sich um eine saure Lösung, liegt er darüber, um eine alkalische basische Lösung. Damit sich der pH-Wert des Blutes durch die im Stoffwechsel anfallenden H+- Ionen nicht ändert, werden sie dort von Puffersystemen abgefangen. Deren Aufgabe ist es, Schwankungen im Säure-Basen-Haushalt auszugleichen. Ihr pH-Wert bleibt auch bei Säure- oder Basenzugaben weitestgehend konstant. Kohlenhydrate Kohlenhydrate (Zucker, Saccharide) sind organische Verbindungen aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoff. Sie dienen allen Lebewesen als Energielieferanten. Eingeteilt werden sie ein: − Monosaccharide (Einfachzucker), z.B.: Glukose, Fructose, Galaktose − Disaccharide (Zweifachzucker, bestehend aus 2 Monosacchariden), z.B.: Laktose − Oligosaccharide (Mehrfachzucker, bestehen aus 3-10 Monosacchariden), z.B.: Raffinose − Polysaccharide (Vielfachzucker, bestehend aus mehr als 10 Monosacchariden), z.B.: Stärke Die Verknüpfung der Monosaccharide erfolgt durch eine glykosidische Bindung, bei der sich die Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) eines Zuckers mit Hydroxylgruppe eines anderen Zuckers unter Wasserabspaltung verbindet. Energiegewinnung aus Glukose Der 1. Schritt der Energiegewinnung aus Glukose ist die Glykolyse, bei der im Zytosol aus 1 Molekül Glukose 2 Moleküle Pyruvat und 2 Moleküle ATP entstehen. Bei Anwesenheit von Sauerstoff (aerobe Bedingungen) wird das Pyruvat in den Mitochondrien über die oxidative Carboxylierung in Acetyl-CoA umgewandelt, aus dem schließlich über Citratzyklus und Atmungskette Wasser und Kohlendioxid entstehen. Insgesamt entstehen so 36 Moleküle ATP pro Glukose-Molekül. Ist kein Sauerstoff vorhanden (anaerobe Bedingungen), wird das Pyruvat im Zytosol in Laktat umgewandelt (Milchsäuregärung). Die Energieausbeute bei dieser Art der Energiegewinnung beträgt 2 Moleküle ATP pro Molekül Glukose. Energieüberschuss und Energiemangel Herrscht ein Energieüberschuss, wird die überschüssige Glukose in Form des Polysaccharids Glykogen v. a. in den Muskel- und Leberzellen gespeichert. Das Hormon Insulin sorgt dafür, dass die Glukose aus dem Blut in die Zellen geschleust wird. Während die Muskelzellen mit dem Glykogen den eigenen Energiebedarf decken, dienen die Glykogenvorräte der Leber dazu, den Blutzuckerspiegel aufrechtzuhalten. Um den Blutzuckerspiegel aufrechtzuhalten, wird bei Energiemangel Glukose v.a. von der Leber ins Blut freigesetzt. Diese Glukose stammt entweder aus dem Abbau des in der Leber gespeicherten Glykogens (Glykogenolyse) oder aus der Glukoneogenese, also der Neubildung von Glukose aus Nicht-Kohlenhydraten (Laktat, bestimmte Aminosäure, Glyzin). Da die Glykogenvorräte der Leber begrenzt sind, spielt die Glukoneogenese die wichtigere Rolle. Ihre Einzelreaktionen entsprechen weitestgehend denjenigen der Glykolyse, laufen aber in umgekehrter Reihenfolge ab. Proteine und Aminosäuren Bei Proteinen handelt es sich um Ketten aus mehr als 100 Aminosäuren. Ist die Kette kürzer, spricht man von einem Peptid. Proteine erfüllen im Körper zahlreiche Aufgaben. Je nach Aufbau und Spezialisierung dienen sie beispielsweise als Motor-, Struktur-, Immun-, Speicher- oder Rezeptorproteine oder Enzyme. Viele Hormone zählen zu den Peptiden. Aminosäuren sind charakterisiert durch 1 Aminogruppe (-NH2), 1 Carboxylgruppe (-COOH) und 1 Aminosäurerest (-R). Der Aufbau des Rests bestimmt, um welche Aminosäure es sich handelt. Für den Aufbau menschlicher Proteine werden nur 20 verschiedene Aminosäuren genutzt, die deshalb als proteinogene Aminosäuren bezeichnet werden. Die übrigen Aminosäuren heißen nicht proteinogene Aminosäuren. Sie finden sich z.B.: in Hormonen. Essenzielle Aminosäuren müssen dem Körper zugeführt werden, nicht essenzielle Aminosäuren kann er selbst herstellen. Die Abfolge der einzelnen Aminosäuren innerhalb des Proteins nennt man Aminosäuresequenz oder Primärstruktur. Über Wasserstoffbrückenbindungen lagern sich die Aminosäuren einzelner Kettenabschnitte aneinander, wodurch die Sekundärstruktur (α- Helix oder ein β-Faltblatt) entsteht. Die Tertiärstruktur beschreibt die dreidimensionale Form der gesamten Aminosäurekette. Sie setzt sich aus den verschiedenen Sekundärstrukturen zusammen. Proteine, die aus mehr als 1 Polypeptidkette (Unterheit) besteht, weisen eine Quartiärstruktur auf, die die räumliche Anordnung der Untereinheiten beschreibt. Lipide – Fettsäure und Fette Lipide sind Verbindungen, die in Wasser nicht oder nur schlecht, in organischen Lösungsmitteln dagegen gut löslich sind. Sie dienen als Energiespeicher, Membranbestandteil oder Botenstoffe. Die Fettsäuren sind eine wichtige Energiequelle für den Körper. Sie werden in Form von Triglyzeriden im Fettgewebe gespeichert. Enthalten Fettsäuren Doppelbindungen zwischen ihren C-Atomen, spricht man von ungesättigten Fettsäuren. Hierzu zählen u.a. die α- Linolensäure und die Linolsäure, die für den Menschen essenziell sind. Fettsäuren, die keine Doppelbindungen zwischen den C-Atomen aufweisen, heißen gesättigte Fettsäuren. Kurzkettige Fettsäuren werden entweder mit der Nahrung aufgenommen oder von den Leber- und Fettzellen hergestellt (Lipogenese). Hierfür wird – bei Energieüberschuss – das im Zitratzyklus entstehende Acetyl - CoA durch Anhängen weiterer C-Atome zu einer Fettsäure verlängern. Bei Energiemangel werden die Fettsäuren aus dem Fettgewebe freigesetzt und v.a. in den Muskelzellen wieder zu Acetyl-CoA abgebaut (β-Oxidation), das dann zur Energiegewinnung in den Zitratzyklus eingeschleust wird. In der Leber entstehen aus den freier Fettsauren Ketonkörper, das Glyzerin verwendet sie zur Glukoneogenese. Triglyzeride (Fette) sind als Speicherform der Fettsäuren eine wichtige Energiereserve. Sie werden in der Darmschleimhaut, der Leber und dem Fettgewebe unter Energieverbrauch aus 1 Glyzerin-Molekül und 3 Fettsäuren zusammengesetzt. Speicherort der Triglyzeride ist das Fettgewebe. Bei Energiemangel werden die Triglyzeride im Fettgewebe aufgespalten (Lipolyse) und die Bestandteile ins Blut freigesetzt. Lipide – membranbildende Lipide, Isoprenoide und Eicosanoide Die membranbildenden Lipide sind amphiphil, d.h., dass sie ein wasserliebendes (polarer Kopf) und ein fettliebendes (apolarer Schwanz) Ende besitzen. Sie lagern sich in wässriger Lösung so zusammen, dass ihre Schwänze nach innen und ihre Köpfe nach außen ragen, und bilden so Mizellen und Lipiddoppelschichten. Zu den Isoprenoiden zählen die Steroide und die Carotinoide. Aus dem Steroid Cholesterin bildet der Körper u.a. die Geschlechtshormone und die Gallensäuren. Außerdem ist es ein Bestandteil der Zellmembranen. Die Eicosanoide sind hormonähnliche Substanzen. Sie dienen als Botenstoffe. Zu dieser Gruppe gehören u.a. die Entzündungsmediatoren. Die Nukleinsäuren DNA und RNA Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) liegt im Zellkern und trägt die genetischen Informationen, während die Ribonukleinsäure (RNA) v.a. eine wichtige Rolle in der Proteinbiosynthese spielt und auch im Zytoplasma zu finden ist. Beide Nukleinsäuren setzen sich aus Nukleotiden zusammen, die jeweils aus 1 Zuckermolekül, 1 Nukleinbase und 1 Phosphatrest bestehen. Das Zuckermolekül des einen Nukleotids ist mit dem Phosphatrest des folgenden Nukleotids verknüpft, sodass ein Strang entsteht. Außer in ihrer Funktion und ihrer Lokalisation unterscheiden sich DNA und RNA durch: − Den Zucker: in der DNA handelt es sich um Desoxyribose (ohne O), in der RNA um Ribose (OH). − Ihre Basen: in der DNA kommen die Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin vor, in der RNA ist Thymin durch Uracil ersetzt. − Die Anzahl der Stränge: die DNA liegt als gewundener Doppelstrang (Doppelhelix) vor, während die RNA einsträngig ist. Der Doppelstrang der DNA entsteht durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen der einzelnen Stränge. Dabei lagern sich nach dem Basenpaarungsprinzip jeweils Adenin und Thymin/ Uracil bzw. Guanin und Cytosin zusammen. BIOLOGIE Zellmembran Die Zellmembran (Plasmalemm) besteht aus einer Lipiddoppelschicht. Die wasserliebenden (hydrophilen) Köpfchen der Lipide zeigen dabei zur Membranaußenseite, die fettliebenden (lipophilen) Schwänze zur Membranmitte. Zwischen den Lipiden liegen die Transmembranproteine, die die Membran durchspannen. An der Außenseite der Membran sind an den Lipiden selbst oder den Transmembranproteinen Zuckerreste befestigt. Sie bilden zusammen die Glykokalyx. Zytoplasma Das Zytoplasma füllt die Zelle aus und umgibt die Zellorganellen. Es besteht aus dem flüssigen Zytosol und dem Zytoskelett. Das Zytoskelett bildet das Stützgerüst der Zelle. Es kann an Transportprozessen innerhalb der Zelle und an Zellbewegungen beteiligt sein und besteht aus Proteinfasern, den Filamenten. Zellkern Der Zellkern (Nukleus) ist die Schaltzentrale der Zelle. Er ist von einer doppelwandigen, porenhaltigen Kernmembran umgeben und enthält das Karyoplasma und die Kernkörperchen (Nukleoli), in denen Vorstufen der Ribosomen gebildet werden. Im Karyoplasma liegt die Erbinformation der Zelle in Form von Chromatin, einem Komplex aus DNA, Histonen und Nicht-Histon-Proteinen vor. In seiner stärksten Verdichtungsstufe wird das Chromatin lichtmikroskopisch als Chromatiden sichtbar. Endoplasmatisches Retikulum und Ribosomen Das endoplasmatische Retikulum bildet ein membranumschlossennes Hohlraumsystem. Ist seine Oberfläche mit Ribosomen besetzt, handelt es sich um raues endoplasmatisches Retikulum (rER), ist sie es nicht, um glattes (sER). Das rER ist für die Proteinsynthese zuständig, das sER bildet Hormone, Fettsäure und Lipide und dient als Kalziumspeicher. Ribosomen bestehen aus RNA und Proteinen. Sie sitzen entweder auf der Membran des rERs, wo sie Exportproteine herstellen, oder kommen frei im Zytoplasma vor. Die freien Ribosomen bilden Proteine, die für die Zelle selbst benötigt werden. Golgi-Apparat Der Golgi-Apparat verpackt die Proteine, die vom rER gebildet werden, für ihren Export aus der Zelle in Transportbläschen (Vesikel). Er besteht aus flachen Hohlräumen (Zisternen), die von einer Membran umschlossen werden. Ein Stapel aus mehreren Zisternen wird als Diktysom bezeichnet. Das cis-Golgi- Netzwerk ist die Seite des Golgi-Apparates, die die Proteine des rER aufnimmt, das trans- Golgi-Netzwerk diejenige, an der die Vesikel frei werden. Auf ihrem Weg von der cis- zur trans-Seite werden die Proteine chemisch verändert. Lysosomen Bei Lysosomen handelt es sich um Vesikel, die Enzyme enthalten. Sie werden vom Golgi- Apparat gebildet. Ihre Aufgabe ist es, überalterte Zellbestandteile abzubauen oder Material, das zum Abbau in die Zelle aufgenommen wurde. Mitochondrien Die Mitochondrien bilden Energie in Form von ATP. Sie werden von Außen- und einer Innenmembran umschlossen, zwischen denen der Intermembranraum liegt. Die Innenmembran bildet zahlreiche Einstülpungen (Cristae und Tubuli), die in den Innenraum des Mitochondriums ragen. Der Innenraum ist mit der mitochondrialen Matrix ausgefüllt. An der Innenseite der Innenmembran befinden sich die Enzyme für die Atmungskette und die ATP-Bildung, die Enzyme für den Zitratzyklus sind in der Matrix enthalten. Als einziges Zellorganell verfügen die Mitochondrien über eine eigene DNA (mtDNA), die von der Mutter vererbt wird. Zell-Zell-Kontakte Zell-Zell-Kontakte dienen der Befestigung der Zellen untereinander und teilweise auch der Kommunikation zwischen den Zellen. Adhäsionskontakte befestigen die Zelle and anderen Zellen oder an extrazellulären Strukturen. Gap Junctions (Nexus) ermöglichen durch ihren kanalartigen Aufbau einen Ionenfluss zwischen den Zellen und dienen damit z.B. zur Weiterleitung elektrischer Reize. Tight Junction (Schlussleisten) verschließen den Zwischenraum zwischen 2 Zellen. Sie dichten v.a. Epithelgewebe ab, indem sie den parazellulären Stoffaustausch verhindern. Proteinsynthese Die Bildung eines Proteins beginnt mit der Transkription, die im Zellkern stattfindet. Zunächst wird auf der DNA derjenige Abschnitt (Gen) abgelesen, der für das entsprechende Protein zuständig ist. In der Basenreihenfolge des Gens (genetischer Code) ist die Aminosäurereihenfolge des Proteins verschlüsselt, das gebildet werden soll. Jeweils 3 aufeinanderfolgende Basen der DNA (Basentriplett) stehen dabei für eine bestimmte Aminosäure. Um die Information über die Aminosäurereihenfolge aus dem Zellkern an den Ort der eigentlichen Proteinsynthese, das Ribosom, zu transportieren, wird während des Ablesens des Gens eine Boten-RNA (mRNA) hergestellt. Sie stellt mit ihrer Basenreihenfolge einen Abdruck des Gens dar. Die mRNA verlässt den Kern und gelangt zu den Ribosomen, an denen die Translation stattfindet. Dabei werden die einzelnen Aminosäuren zum Protein zusammengesetzt. Jede Aminosäure ist mit einer tRNA gekoppelt, die eine bestimmte Basenreihenfolge aufweist. Passt diese Reihenfolge zu der Basenreihenfolge der mRNA, wird die Aminosäure als nächste in die Aminosäurenkette eingebaut. Ist die Kette vollständig, löst sie sich vom Ribosom und wird zu einer bestimmten dreidimensionalen Struktur gefaltet. Damit ist das Protein fertig. Membrantransport Der passive Transport verbraucht keine Energie. Er beruht auf einem Konzentrationsgefälle, aufgrund dessen der Stoff entweder direkt durch die Membran (freie Diffusion) oder durch spezielle Kanal- oder Carrier-Proteine (erleichterte Diffusion) von der Seite der höheren auf die Seite der niedrigeren Konzentration wandert. Der aktive Transport findet entgegen dem Konzentrationsgefälle statt. Er ist auf Carrier- Proteine angewiesen, die unter Energieverbrauch einen Stoff von einer Seite der Membran auf die andere transportieren. Endozytose und Exozytose Durch Endozytose gelangen größere Partikel, die die Zellmembran nicht durchdringen können, ins Zellinnere. Dazu werden sie von der Zellmembran umschlossen, die sich dann als Endosom ins Innere der Zelle abschnürt. Bei der rezeptorvermittelten Endozytose wird die Endozytose dadurch ausgelöst, dass das Partikel an einem Membranrezeptor der Zelle bindet. Werden Feststoffe endozytiert, spricht man auch von Phagozytose, bei Flüssigkeiten von Pinozytose. Bei Exozytose werden Stoffe aus der Zelle geschleust. Die Vesikel, in denen diese Stoffe liegen, werden in der Zelle gebildet. Erreichen sie die Zellmembran, verschmelzen Zell- und Vesikelmembran miteinander und der Stoff gelangt in den Extrazellularraum. Bei der rezeptorvermittelten Exozytose bindet ein Überträgerstoff, z.B. ein Hormon, an einem Membranrezeptor und setzt so eine Signalkaskade in der Zelle in Gang, über die die Exozytose ausgelöst wird. Apoptose und Nekrose Bei der Apoptose (programmierter Zelltod) geht das Signal zum Zelluntergang vom Körper selbst aus, der Zelltod ist also erwünscht. Er wird dadurch ausgelöst, dass die Zelle keine Überlebenssignale mehr enthält. Das Zellkern schrumpft und zerfällt. Es entstehen Zelltrümmer (Apoptosekörper), die von Fresszellen abgebaut werden. Die Nekrose wird durch äußere Einflüsse ausgelöst, ist also vom Körper nicht geplant. Sie geht mit einer Entzündungsreaktion einher. Chromosomen Bis auf die reifen Geschlechtszellen (Eizelle und Spermien) enthält jede kernhaltige Zelle 46 Chromosomen. Jeweils die Hälfte davon stammt von der Mutter bzw. vom Vater, weshalb jedes Chromosom doppelt vorkommt. Man spricht von einem diploiden Chromosomensatz. In den reifen Geschlechtszellen kommt jedes Chromosom nur einfach vor, sie enthalten einen haploiden Chromosomensatz mit 23 Chromosomen. Jedes Chromosom besteht entweder aus 1 Chromatid (ruhende Zellen) oder aus 2 Chromatiden (Zellen kurz vor der Zellteilung). Das Zentromer ist eine Einschnürung, die jedes Chromatid in einen langen und einen kurzen Chromosomenarm unterteilt. Besteht das Chromosom aus 2 Chromatiden, sind diese über das Zentromer miteinander verbunden. Mitose Bei der Mitose entstehen durch Zellteilung aus einer Mutterzelle 2 Tochterzellen, die mit der Mutterzelle genetisch identisch sind. Sie dient der Zellvermehrung und -erneuerung in wachsenden und sich regenerierenden Geweben. Die Tochterzellen besitzen diploide Chromosomensätze, deren Chromosomen aus je 1 Chromatid bestehen. Der eigentlichen Mitose geht die Interphase voraus, während deren sich die Chromatiden eines Chromosoms verdoppeln und die Zelle wachst. In der M-Phase findet die eigentliche Mitose statt. In ihrer Prophase kondensieren die Chromosomen, und die Teilungsspinden bildet sich. In der Metaphase richten sich die Chromosomen in der Äquatorialebene aus. Währen der Anaphase trennen sich die Chromatiden auf, indem die Teilungsspindel je ein Chromatid jedes Chromosoms an die entgegensetzten Pole der Teilungsspindel zieht. In der abschließenden Telophase bilden sich die Zellkerne. Indem sich die Zellmembran in der äquatorialebene einschnürt, entstehen die beiden Tochterzellen. Meiose Bei der Meiose entstehen durch Zellteilung aus der Mutterzelle 4 Tochterzellen, die mit der Mutterzelle genetisch nicht identisch sind. Sie dient der Bildung von reifen Keimzellen (Eizellen und Spermien). Die Tochterzellen besitzen haploide Chromosomensätze, deren Chromosomen aus je 1 Chromatid bestehen. Genauso wie der Mitose geht auch der Meiose eine Interphase mit der Replikation der Chromatiden voraus. Die eigentliche Meiose unterteilt sich in die 1. und 2. Reifeteilung. Bei der 1.Reifeteilung (Reduktionsteilung) entstehen zunächst 2 Tochterzellen mit haploidem Chromosomensatz, dessen Chromosomen weiterhin aus 2 Chromatiden bestehen. Während der Teilung kommt es zum Austausch von Chromatidbruchstücken zwischen den homologen väterlichen und mütterlichen Chromosomen (Crossing-over) und dadurch zu einer Rekombination des Erbmaterials. Die 2. Reifeteilung (Äquationsteilung) läuft wie eine Mitose ab, bei der die beiden Chromatiden der jeweiligen Chromosomen aufgeteilt werden. Dadurch entstehen insgesamt 4 Zellen mit haploidem Chromosomensatz, dessen Chromosomen aus nur noch 1 Chromatid bestehen. Bei den weiblichen Keimzellen ist davon allerdings nur 1 Tochterzelle als vollwertige Eizelle ausgeprägt. Die anderen 3 Tochterzellen liegen als kleine Polkörperchen innerhalb dieser Eizelle. Gene und Allele Ein Gen ist ein definierter Abschnitt der DNA, der im Chromosom an einer bestimmten Stelle (Genlokus) liegt. Ein Mensch besitzt 30.000-40.000 unterschiedlichen Gene. Die entsprechenden väterlichen und mütterlichen Gene eines Chromosomensatzes können sich leicht voneinander unterscheiden. Unterscheiden sich die beiden Allele in ihrer genetischen Information, ist das Individuum diesbezüglich heterozygot (mischerbig). Unterscheidet sie sich nicht, ist es homozygot (reinerbig). Setzt sich ein Allel mit seiner Information gegen das andere durch, ist es dominant, steht es zurück, rezessiv. Kommen beide Allele zur Ausprägung, herrsch eine Kodominanz. Genotyp und Phänotyp Der Genotyp umfasst die gesamte genetische Information, während man unter Phänotyp im Wesentlichen das äußere Erscheinungsbild versteht. Der Phänotyp kann von äußeren Umständen beeinflusst werden. 1. Mendel – Regel (Uniformitätsregel) Kreuzt man 2 Individuen, die sich in 1 Merkmal unterscheiden und die für dieses Merkmal homozygot sind, sind alle direkten Nachkommen hinsichtlich dieses Merkmals heterozygot und besitzen denselben Phänotyp. 2. Mendel – Regel (Spaltungsregel) Kreuzt man 2 Individuen, die sich in 1 Merkmal unterscheiden und für dieses Merkmal homozygot sind, spaltet sich die Enkelgeneration hinsichtlich ihres Geno- und Phänotyps in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf. Dabei treten auch die Merkmale der Elterngeneration wieder auf. 3. Mendel – Regel (Unabhängigkeitsregel) Kreutz man 2 Individuen, sich in 2 Merkmalen unterscheiden und die für diese Merkmale homozygot sind, sind die direkten Nachfahren für beide Merkmale heterozygot. In der Enkelgeneration treten sowohl Merkmalsausprägungen der Elterngeneration auf als auch neue, die in der Elterngeneration noch nicht vorhanden waren. Die Allele, die für die Ausprägung der beiden Merkmale verantwortlich sind, werden also unabhängig voneinander vererbt. Voraussetzung ist, dass die für die beiden Merkmale verantwortlichen Gene auf unterschiedlichen Chromosomen liegen. Autosomale Erbgänge Als Autosomen werden die Chromosomen bezeichnet, die keine Geschlechtschromosomen sind. Beim autosomal-dominanten Erbgang tritt das Merkmal auch dann in Erscheinung, wenn das Individuum für das Merkmal heterozygot ist. Beim autosomal-rezessiven Erbgang tritt das Merkmal nur dann in Erscheinung, wenn das Individuum homozygot für das Merkmal ist. Heterozygote können das Merkmal – obwohl es bei ihnen nicht ausgeprägt ist – über das rezessive Allel allerdings an ihre Nachfahren weitergeben. Das Geschlecht spielt bei der Vererbung des Merkmals keine Rolle. Gonosomale Erbgänge Gonosomen sind die Geschlechtschromosomen. Frauen besitzen 2 X – Chromosomen (XX), Männer 1 X – und 1 Y – Chromosom (XY). Bei der Vererbung von Merkmalen, die auf Gonosomen codiert sind, spielt das Geschlecht des Nachfahren eine Rolle. Bei den X- chromosomalen Erbgängen liegt das Allel auf dem X-Chromosom, bei X-chromosomalen Erbgängen auf dem Y-Chromosom. Beim X-chromosomal-rezessiven Erbgang tritt das Merkmal bei Frauen nur in Erscheinung, wenn sie für das Merkmal homozygot sind. Bei heterozygoten Frauen tritt das Merkmal hinter dem dominanten X-Allel zurück. Sie können es aber als Konduktorinnen vererben. Erben Männer das entsprechende X-Allel, kommt das Merkmal bei ihnen immer zur Ausprägung, da sie kein anderes und damit auch kein dominantes X-Chromosom besitzen. Beim X-chromosomal-dominanten Erbgang tritt das Merkmal sowohl bei für das Merkmal homozygoten als auch heterozygoten Frauen in Erscheinung. Y-chromosomal vererbte Merkmale treten bei Frauen nie auf, aber bei allen Männern, die das entsprechende Allel erben. GEWEBE IM MENSCHLICHEN KÖRPER Gewebe Ein Gewebe besteht aus einem Zellverband und dem Raum zwischen den Zellen, dem Interstitium. Im Interstitium befindet sich die Interzellularsubstanz oder Extrazellulärmatrix. Unter Parenchym versteht man das Gewebe eines Organs, das für dessen Funktion verantwortlich ist. Es wird meist von einem Stützgewebe (Stroma) durchzogen, das das Parenchym gliedert und dem Organ seine Form gibt. Als Grundgewebearten unterscheidet man Epithelgewebe, Binde -, Stütz-, und Fettgewebe, Muskelgewebe und Nervengewebe. Epithelgewebe Epithelgewebe kann als Oberflächenepithel die Körperoberfläche und die Oberfläche der Organe bilden oder Hohlräume auskleiden. Als Drüsenepithel bildet es Drüsen und als Sinnesepithel nimmt es Reize auf. Im Epithelgewebe gibt es keine Blutgefäße und nur wenig Intrazellulärsubstanz. Es besitzt eine gute Regenerationsfähigkeit. Oberflächenepithel Oberflächenepithelien (Deckepithelien) bilden die äußere Schicht der Schleimhaute, der äußeren Haut und der serösen Haut (savós hártya/ savós bélhártya). Sie schützen die darunterliegenden Strukturen und sind am Ionentransport beteiligt. Die Zellen der Oberflächenepithelien bilden häufig kleine Fortsätze aus: - Mikrovilli: dichte, kurze (2µm) Fortsätze, sie bilden den Bürstensaum - Stereozilien: längere Mikrovilli (bis 10 µm), sie können weich oder steif (Sinneshärchen) sein. - Kinozilien: Fortsätze mit ca. 5 µm Länge, die sich selbständig bewegen können (Flimmerhärchen) Nach der Form der Zellen der obersten Epithelschicht unterscheidet man: - Plattenepithel: Es kann ein- oder mehrschichtig sein, die oberen Zellen sind platt. Bei mehrschichtigen Plattenepithelien können die oberen Schichten verhornen, wie z.B. bei der äußeren Hautschicht, oder auch nicht, wie bei den Schleimhäuten. - kubisches Epithel: Es ist meist einschichtig, die oberen Zellen sind nahezu quadratisch.  - Zylinderepithel: Es ist meist einschichtig, die oberen Zellen sind höher als breit. Häufig sind sie mit einem Bürstensaum oder Flimmerhärchen ausgestattet. - Übergangsepithel: es ist mehrschichtig und besitzt eine gewisse Dehnbarkeit. Es kommt v.a. in der Harnblase vor und wird auch als Urothel bezeichnet. Drüsenepithelien Drüsenepithelien bestehen aus sekretbildenden Drüsenzellen, einige enthalten zusätzlich Myoepithelzellen. Man unterscheidet exokrine Drüsen, die ihr Sekret nach außen abgeben, von endokrinen Drüsen, die ihr Sekret in das umgebende Bindegewebe abgeben, von wo es über die Blutbahn abtransportiert wird. Eine exokrine Drüse besteht aus einem Drüsenendstück, in dem das Sekret gebildet wird, und einem oder mehreren Ausführungsgängen- Je nach Form des Endstücks unterscheidet man tubulöse (schlauchförmige), azinöse (kugelförmige) und alveoläre (bläschenförmige) Drüsen. Nach der Beschaffenheit ihres Sekrets teilt man die Drüsen in seröse Drüsen mit einem dünnflüssigen Sekret, muköse Drüsen mit einem zähflüssigen Sekret und seromuköse Drüsen mit einem gemischten Sekret ein. Endokrine Drüsen besitzen keinen Ausführungsgang. Binde-, Stütz- und Fettgewebe Die Binde-, Stütz- und Fettgewebe erfüllen im Körper vielfältige Aufgaben. Zu ihnen zählen das Bindegewebe im eigentlichen Sinne, das Knorpel- und das Knochengewebe und das weiße und brauen Fettgewebe. Die Interzellularsubstanz setzt sich aus Wasser, der Grundsubstanz und Bindegewebefasern zusammen. Die Grundsubstanz besteht aus Makromolekülen und sit für das Wasserbindungsvermögen des Gewebes verantwortlich. Bei den Bindegewebefasern unterscheidet man: - kollagene Fasern: Sie sind zugfest, aber nur wenig dehnbar. Es gibt verschiedene Typen, die unterschiedlichen mengen in den verschiedenen Geweben vorkommen. - elastische fasern: Sie sind dehnbarer als die kollagenen Fasern und ziehen sich nach Belastung wieder zusammen. Die für das Bindegewebe typischen Zellen sind die Fibrozyten. Daneben findet man weiße Blutkörperchen, die als freie Zellen in das Gewebe eingewandert sind. Bindegewebe im eigentlichen Sinne Das lockere Bindegewebe kommt von allen Bindegewebsarten am häufigsten vor. Es bildet das Stroma der Organe, auch unter Oberflächenepithelien liegt eine Schicht lockeren Bindegewebes. Im lockeren Bindegewebe verlaufen Gefäße und Nerven. Hauptbestandteil ist die Grundsubstanz, weshalb die Wasserbindungsfähigkeit hoch ist. Zellen und Bindegewebefasern kommen nur vereinzelt vor. Hauptbestandteil des straffen Bindegewebes sind Kollagenfaserbündel. Diese verlaufen in Sehnen und Bändern parallel, in den Organ – und Gelenkkapseln, der Knochenhaut und den Herzklappen dagegen geflechtartig. Die Kollagenfasern des retikulären Bindegewebes bilden ein dichtes Netz, in dem sich zahlreiche freie Zellen aufhalten. das retikuläre Bindegewebe bildet das Gerüst lymphatischer Organe, wie z.B. der Milz, der Lymphknoten oder des roten Knochenmarks. Elastische Fasern sind der Hauptbestandteil von elastischen Bändern, von denen es allerdings nur wenige gibt. Knorpelgewebe Knorpelgewebe ist fest und druckelastisch. In gelenk verteilt es den Druck und sorgt für eine glatte Oberfläche, an der Ohrmuschel und der Luftröhre z.B. wirkt es formgebend. Seine Grundsubstanz verfügt über ein hohes Wasserbindungsvermögen, für Festigkeit sind Kollagenfibrillen verantwortlich. Die Knorpelzellen werden als Chondrozyten (teilen nicht), ihre Jugendform als Chondroblasten bezeichnet (teilen noch) Knorpelarten Die häufigste Knorpelart ist der hyaline Knorpel. Er bildet u.a. den Gelenkknorpel. Da er viel Grundsubstanz enthält, ist es besonders druckelastisch. Außerhalb der Gelenke wird er von der Knorpelhaut (Perichondrium) verstärkt, in der Vorläuferzellen der Chondroblasten liegen. Elastischer Knorpel kommt z.B. im Kehldeckel und in der Ohrmuschel vor. Neben den kollagenen enthält er auch elastische Fasern, die ihn biegsam machen. Auch er wird von Knorpelhaut überzogen. Der Faserknorpel bildet die Menisken und Zwischenwirbelscheiben. Er besteht hauptsächlich aus dicken Kollagenbündeln, Zellen sind selten. Er ist besonders zugfest und besitzt keine Knorpelhaut. Knochengewebe Knochengewebe ist extrem form- und biegefest- Es hat eine Stütz- und Schutzfunktion und dient als Kalziumspeicher. Knochengewebe ist einem ständigen Umbauprozess unterworfen. Seine Interzellularsubstanz besteht überwiegend aus Mineralien und Kollagenfibrillen. Bei den Knochenzelle unterscheidet man: - Osteoblasten: Sie dienen dem Knochenaufbau, indem sie die Interzellularsubstanz bilden. - Osteozyten: Sie gehen aus den Osteoblasten hervor, wenn diese in der mineralisierenden Grundsubstanz eingemauert werden. Sie messen wahrscheinlich die Belastung des Knochens. - Osteoklasten: Sie dienen dem Knochenabbau, indem sie verkalkte Interzellularsubstanz abbauen. Knochenarten Bei den Knochenbildung und der Frakturheilung einsteht als Erstes Geflechtknochen. Er wird später zu Lamellenknochen umgebaut. Geflechtknochen enthält viele Knochenzellen und ungeordnete Kollagenfasern und ist nur wenig mineralisiert. Der Lamellenknochen ist belastbarer als der Geflechtknochen, aus dem er entsteht. Dazu lagern sich die ungeordneten Kollagenfasern zu regelmäßig angeordneten Lamellen zusammen. In der Spongiosa im Inneren des Knochens bilden die Lamellen feine Knochenbälkchen (Trabekel) und verleihen ihr so eine schwammartige Struktur. In der dichten Außenschicht des Knochens, der Kompakta, lagern sich die Lamellen zu kleinen Zylindern, den Osteonen, zusammen. Im Zentrum der Osteonen liegt der Havers-Kanal mit den Havers-Gefäßen. Die Havers- Kanäle sind über die Volkmann-Kanale miteinander verbunden. Knochenhaut Die Knochenhaut besteht aus Bindegewebe. Die schmerzempfindliche äußere Knochenhaut (Periost) liegt der Kompakta außen auf, während die innere Knochenhaut (Endost) die Hohlräume des Knochens auskleidet. Fettgewebe Das Fettgewebe besteht überwiegend aus Fettzellen (Adipozyten). Es dient in erster Linie als Energiespeicher. Dazu speichert es Triglyzeride in Form von Fettröpfchen. Man unterscheidet: - weißes Fettgewebe: Es dient der Energiegewinnung (Speicherfett) oder als Polster (Baufett). Die Fettzellen enthalten nur 1 großen Fetttropfen. - braunes Fettgewebe: Es dient dem Säugling zur Wärmeproduktion- Die Fettzellen enthalten mehrere kleine Fettröpfchen. Muskelgewebe Muskelzellen (Myozyten) besitzen die Fähigkeit, sich zusammenziehen (Kontraktion) und sich wieder zu entspannen (Relaxation). Dadurch entstehen Bewegungen. Ermöglicht wird die Kontraktion durch die Proteine Aktin und Myosin. Je nach deren Anordnung unterscheidet man die quergestreifte von der glatten Muskulatur. Aufbau quergestreiften Skelettmuskulatur Die Skelettmuskeln können willentlich gesteuert werden und sind für die Körperbewegungen verantwortlich. Sie bestehen aus einzelnen Muskelfasern. Mehrere Muskelfasern werden durch bindegewebige Hüllen zu Primärbündeln und mehrere Primärbündel zu Sekundärbündeln zusammengefasst. Alle Sekundärbündel gemeinsam bilden den Muskel, der von der Muskelfaszie umgeben wird. Aufbau der Skelettmuskelfaser Jede Muskelfaser entspricht 1 Muskelzelle (Myozyt). Skelettmuskelzellen sind bis zu 30 cm lange, mehrkernige, längliche Zellen. Ihre Membran (Sarkolemm) bildet Einstülpungen, die bis ins Innere der Zelle reichen. Dort liegen die Myofibrillen, die aus den Myofilamenten Aktin und Myosin bestehen. Um die Myofibrillen spannt sich das sarkoplasmatische Retikulum, das als Kalziumspeicher dient. Die Aktin- und Myosinfilamente sind hintereinander (jeweils Aktin – Myosin – Aktin) angeordnet, wobei es zwischen Aktin und Myosin zu Überschneidungen kommt. Diese regelmäßige Anordnung ist für die Querstreifung des Muskelgewebes verantwortlich. Eine Aktin-Myosin-Aktin-Einheit wird als Sarkomer bezeichnet. Ausstülpungen des Sarkolemms bilden das quer verlaufende T-System, das sarkoplasmatische Retikulum das längs verlaufende L-System. Die Mitochondrien liegen zwischen den Myofibrillen und zwischen Myofibrillen und Sarkolemm. An der angeschnittenen Myofibrille ist der Aufbau eines Sarkomers aus A-, I-, und Z-Streifen gebildet. Aufbau quergestreiften Herzmuskelfaser Die Herzmuskelzelle (Kardiomyozyt) ist eine einkernige, verzweigte Zelle mit einer Länge bis zu 120 µm. Die Kardiomyozyten sind untereinander über Glanzstreifen verbunden, über die ein Reiz direkt von Zelle zu Zelle weitergegeben werden kann. Die Anordnung der Myofilamente gleicht derjenigen der Skelettmuskelzelle. Aufbau einer Glattmuskelzelle Dia glatte Muskulatur kommt insbesondere in Organen und Gefäßen vor. Sie ist nicht willentlich beeinflussbar. Ihre Zellen sind einkernig, spindelförmig und bis zu 200 µm lang. Die Myofilamente sind unregelmäßig angeordnet, weshalb die glatte Muskulatur keine Querstreifung aufweist. Aufbau von Aktin und Myosin Die Myosinfilamente setzen sich aus mehreren Myosinmolekülen mit jeweils einem Schwanzanteil und einem Köpfchen zusammen. An das Köpfchen ist ATP gebunden. Ein Aktinfilament besteht aus Aktinmolekülen, die eine Bindungsstelle für das Myosinköpfchen besitzen. Diese Bindungsstelle wird in Ruhe durch das Protein Tropomyosin steht mit einem Regulatorprotein in Verbindung, in der quergestreiften Muskulatur ist das Troponin, in der glatten Calmodulin. Aufbau der Muskelkontraktion Bein der Muskelkontraktion verkürzen sich die Sarkomere, indem sich die Aktinfilamente unter Energieverbrauch tiefer zwischen die Myosinfilamente schieben. Dieser Vorgang wird dadurch ausgelöst, dass die intrazelluläre Kalziumkontraktion anstieg. Die Kontraktion läuft wie folgt ab: - Kalzium – Ionen binden an das Regulatorprotein. - Tropomyosin wird verlagert und gibt die Bindungsstelle frei. - Das Myosinköpfchen lagert sich an das Aktinmolekül. - Das an das Köpfchen gebundene ATP wird gespalten, wodurch Energie frei wird. - Das Köpfchen winkelt sich ab (90 → 45) und verschiebt das Aktinfilament, wodurch sich das Sarkomer verkürzt. - Neues ATP bindet an das Köpfchen, das sich daraufhin vom Aktin löst und in seine Ausgangsposition zurückkehrt. Dieser Prozess wird auch als Querbrückenzyklus bezeichnet. Er wiederholt sich so lange, bis die Kalziumkonzentration in der Zelle wieder abgesunken ist. Der Anstiegt der Kalziumkonzentration wird durch einen elektrischen Impuls ausgelöst, der von einer anderen Zelle auf die Muskelzelle übertragen wird. Die Umwandlung des elektrischen Reizes in mechanische Arbeit heißt elektromechanische Kopplung. Kontraktion der quergestreiften Skelettmuskulatur Der elektrische Impuls erreicht die Skelettmuskelzelle über einen Nerv, dessen Ende mit der Muskelzelle über eine motorische Endplatte in Verbindung steht. Ein Nerv kann dabei mehrere Muskelfasern versorgen; der Nerv und die vom ihn innervierten Muskelfasern bilden eine motorische Einheit. Abhängig davon, wie viele seiner motorischen Einheiten aktiviert werden, variiert die vom Muskel entwickelte Kraft. Eine Erregungsweiterleitung zwischen den einzelnen Muskelfasern ist nicht möglich. Bei Erregung setzt der Nerv an der motorischen Endplatte den chemischen Übertragungsstoff Acetylcholin frei, der an Rezeptoren im Sarkolemm bindet und dort eine Erregung auslöst. Die Erregung führt dazu, dass Kalzium aus dem sarkoplasmatischen Retikulum freigesetzt wird und sich die Kalziumkonzentration in der Zelle erhöht. Es werden immer alle Muskelfasern einer motorischen Einheit gemeinsam erregt. Kontraktion der quergestreiften Herzmuskulatur Der elektrische Impuls stammt von speziellen Herzmuskelzellen, die das herzeigene Erregungsbildungs- und Erregungsleitungssystem bilden. Die Erregung wird über die Glanzstreifen von Zelle zu Zelle weitergegeben. Daher kontrahieren immer alle Muskelfasern des Herzmuskels. Die Kalziumkonzentration steigt in der Herzmuskelzelle durch die intrazelluläre Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum und durch einen Einstrom von extrazellulär durch Kanäle in der Zellmembran. Kontraktion der glatten Muskulatur Die Kontraktion verlaufen an der glatten Muskulatur langsam. Im Gegensatz zur quergestreiften Muskulatur sin einige Myosinköpfchen dauerhaft an Aktin gebunden, wodurch die Muskulatur eine gewisse Grundspannung (Tonus) aufweist. Dadurch wird weniger ATP und damit Energie verbraucht. Die Kontraktion kann durch Nerven, Dehnung, Hormone oder sonstige Reize ausgelöst werden. Auf den reiz hin öffnen sich Kalziumkanäle in der Zellmembran und Kalzium strömt von extrazellulär in die Zelle. Die intrazelluläre Freisetzung spielt nur eine untergeordnete Rolle. Die Glattmuskelzellen können entweder wie die Herzmuskelzellen untereinander über Gap Junctions gekoppelt oder wie die Skelettmuskelzellen in Form motorischer Einheiten organisiert sein. Nervengewebe Das Nervengewebe besteht aus den eigentlichen Nervenzellen, den Neuronen, und Stützzellen, den Gliazellen. Über das Nervengewebe werden Informationen in Form von elektrischen Impulsen transportiert. Nervenzelle Die Nervenzelle (Neuron) gliedert sich in: - Dendriten: Über diese kurzen, verzweigten Fortsätze werden Informationen aufgenommen. - Zellkörper: Er enthält die Zellorganellen und sammelt die Informationen. - Axon: Über diesen bis zu 1 m langen Fortsatz gibt die Nervenzelle die Informationen weiter. An seinem Ende verzweigt sich das Axon und bildet Synapsen mit seinen Zielzellen. Entlang des Axons können nicht nur Reize, sondern über das Zytoskelett auch Substanzen transportiert werden (axonaler Transport). Ein Neuron besitzt mehrere Dendriten und 1 Neurit. Der Neurit ist meist von spezialisierten Gliazellen umgeben und wird auch Axon genannt. Das Axon kann im Verlauf Seitenäste abgeben. Seine Enden verzweigen sich zu Endkolben, die Teil einer Synapse sind. Der Zellkörper wird als Perikaryon oder Soma bezeichnet. Synapsen Man unterscheidet elektrische und chemische Synapsen. Die elektrischen Synapsen bestehen aus Gap Junctions, der elektrische Reiz wird über Ionenströme direkt von Zelle zu Zelle fortgeleitet. Sie kommen im Nervengewebe so gut wie nie vor. Bei den chemischen Synapsen wird der elektrische Reiz in ein chemisches Signal umgewandelt, das an der Zielzelle wiederum einen elektrischen Reiz auslöst. Sie sind aufgebaut aus: - präsynaptischer Membran: Sie bildet das Ende des Axons, das den Reiz heranstransportiert. Hier werden die chemischen Überträgerstoffe (Neurotransmitter) freigesetzt. - postsynaptischer Membran: Membranabschnitt der Zielzelle, die der präsynaptischen Membran gegenüberliegt. Hier befinden sich Rezeptoren für die Neurotransmitter. - synaptischem Spalt: Er liegt zwischen prä – und postsynaptischer Membran Je nachdem, welcher Neurotransmitter von der Synapse verwendet wird, kann eine Synapse erregend sein und die Information weiterleiten oder hemmend und das Signal abschwächen. Wichtige erregende Neurotransmitter sind Glutamat und Acetylcholin, wichtige hemmende Neurotransmitter GABA (Gamma-Aminobuttersäure) und Glycin. Gliazellen Im zentralen Nervensystem (Gehirn und Rückenmarks) kommen folgende Gliazellen vor: - Oligodendrozyten: Sie bilden die Markscheide der Axone - Astrozyten: Sie stützen und ernähren die Nervenzellen des zentralen Nervensystems (ZNS) - Ependymzellen: Sie kleiden die Hohlräume des zentralen Nervensystems aus und sind am Austausch der Hirn- und Rückenmarksflüssigkeit beteiligt. - Mikrogliazellen: Bei ihnen handelt es um Abwehrzellen. Außerhalb des zentralen Nervensystems finden sich: - Schwann-Zellen: Sie bilden die Markscheide der peripheren Nerven. - Mantelzellen: Sie ernähren die Neurone. Aufbau einer Nervenfaser Unter einer Nervenfaser verstehet man das Axon einer Nervenzelle und seine Hülle aus Gliazellen. Mehrere Nervenfasern werden von einer bindegewebigen Hülle zu Nervenfaserbündeln zusammengefasst, mehrere Nervenfaserbündel bilden gemeinsam einen Nerv. Afferente Nervenfasern leiten die Informationen in Richtung des zentralen Nervensystems. Sie sind sensibel, d.h., sie transportieren Sinneseindrücke. Efferente Nervenfasern leiten die Information in entgegengesetzte Richtung (von der ZNS). Sie können motorisch sein und Befehle an die Skelettmuskulatur transportieren (Motoneurone) oder autonom und der Steuerung der Organe dienen. Markhaltige und marklose Nervenfasern Bei den markhaltigen Nervenfasern bilden die Gliazellen eine Markscheide, indem sie die Axone mit dünnen Lamellen aus Proteinen und Lipiden (Myelin) umwickeln. Dort, wo die Lamellen der einen Gliazelle enden und die der nächsten beginnen, bildet sich in der Markscheide eine Einziehung, der Ranvier-Schnürring. Auch marklose Fasern sind von Gliazellen umhüllt, diese bilden allerdings keine Myelinhülle. Markhaltige Fasern können Reize wesentlich schneller transportieren als marklose Fasern. Erregungsweiterleitung Nervenfasern leiten Informationen in Form von elektrischen Impulsen. Dies funktioniert nur, wenn die Zelle erregbar ist, also an ihrer Membran eine Spannung ausgebildet ist, die sich verändern kann. Die Spannung, die bei der nicht erregten Zelle besteht, ist das Ruhemembranpotenzial. Es wandelt sich bei entsprechender Erregung in ein Aktionspotenzial um. Ruhemembranpotenzial Das Ruhemembranpotenzial kommt durch eine Konzentrations- und eine Spannungsdifferenz zwischen Intra- und Extrazellularraum zustande. Wichtig ist v.a. die Konzentration der Kalium- und der Natrium-Ionen. Für K+ ist sie in der Zell hoch und außerhalb der Zelle gering, für Na+ umgekehrt (Zelle niedrig, außen hoch). Da die Zellmembran nur für K+ durchlässig ist, strömen Kalium-Ionen aus der Zelle. Dadurch entsteht ein Ungleichgewicht hinsichtlich der elektrischen Ladung: das zellinnere wird immer negativer, da positive Ladung verloren geht. Letztlich steigt die Negativität im Zytoplasma so stark an, dass keine Kalium-Ionen mehr die Zelle verlassen können, obwohl das Konzentrationsgefälle noch nicht ausgeglichen ist. Dies ist der Fall, wenn an der Zellmembran eine Spannung von – 70 mV herrscht, das Ruhemembranpotenzial. Bei den ebenfalls erregbaren Muskelzellen beträgt es – 90 mV. Aktionspotenzial Bei der Weiterleitung eines Reizes ändert sich das Membranpotenzial, und es bildet sich ein Aktionspotenzial aus. Verantwortlich dafür sind Natriumkanäle in der Zellmembran. Sie öffnen sich, wenn ein Reiz in dem Membranschicht eintrifft. Dieser Reiz kann z.B. die Neurotransmitterauschüttung an der Synapse oder die Erregung des benachbarten Membranabschnitts sein. Er löst allerdings nur dann ein Aktionspotenzial aus, wenn groß genug ist, um das membranpotenzial von – 70 mV auf den Schwellwert von – 50 mV anzuheben. Erst ab diesem Schwellwert öffnen sich die Natriumkanäle. Na+ fließt dann entlang seines Konzentrationsgefälles in die Zelle, sodass das zellinnere im Bereich der Erregung positiv wird. Dadurch öffnen sich in den benachbarten Membranabschnitten ebenfalls Natriumkanäle, und das Aktionspotenzial pflanzt sich entlang des Neurons fort. Erreicht es am Ende des Axons die präsynaptische Membran, löst es die Ausschüttung des Neurotransmitters aus, und der Reiz wird auf die nächste Zelle übertragen. Nach 1-2 Millisekunden schließen sich die Kanäle wieder und können auch durch erneut eintreffende Reize für eine gewisse Zeit (Refraktärzeit) nicht wieder öffnen. Reizleitungsgeschwindigkeit am Neuron Bei marklosen Fasern pflanzt sich die Erregung entlang der gesamten Zellmembran kontinuierlich fort. Die Leitungsgeschwindigkeit beträgt max. 2 m/s. Bei markhaltigen Fasern springt die Erregung von Ranvier-Schnürring zu Ranvier-Schnürring, da sich nur in diesen Bereichen Natriumkanäle befinden. Daher ist die saltatorische Erregungsleitung mit bis zu 120 m/s wesentlich schneller als die kontinuierliche.