Von der Zelle zum Neuron
Die Zelle:
Was ist eine Zelle?
Es gibt Zellen, die als Einzelwesen existieren: z. Bsp. die Amöbe (Erreger der Amöbenruhr). Diese Zelle hat alle Organellen, um allein existieren zu können und sich fortzupflanzen. Meistens aber finden sich Zellen in einem Verbund (oft als spezielles Organ). Eine Zelle ist ein paar Hundertstel mm groß, daher besser mit einem Mikroskop zu beobachten. Durch Beobachtung mit dem Elektronenmikroskop können die Ultrastrukturen einer Zelle studiert werden: Zellmembran, Cytoplasma, Zellkernmembran, Zellkern, Mitochondrien, rauhes (rough endoplasmatic reticulum = RER) und glattes endoplasmatisches Reticulum (smooth endoplasmatic reticulum = SER), Golgiapparat, Nahrungsvakuolen, Filamente. Im Zellkern ist die genetische Information in Form der Desoxyribonucleinsäure (DNS, englisch desoxyribonleinacid = DNA) gespeichert. Bei der Zellteilung verdoppeln sich die Chromosomen, die Zelle schnürt sich ab und es entstehen 2 Zellen mit dem gleichen Chromosomensatz. Die Anzahl der Chromosomen ist für jede Spezies Lebewesen unterschiedlich (beim Menschen gibt es 22 Paare Autosomen sowie bei der Frau zwei X und beim Mann ein X und ein Y Heterosom, insgesamt also 46 Chromosomen). Einzelheiten über die Vererbung, Genetik und Cytogenetik werden in der Vorlesung "Vererbung, Umwelt und Verhalten“ behandelt.
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Inhalt
Die Zelle:
Was ist eine Zelle?
Zellbiologie:
Zucker:
Fettsäuren:
Eiweiß:
Nukleotide:
Enzyme
Zellmembran:
Interstitium
Diffusion und Osmose
Stoffaustausch der Zelle mit ihrer Umgebung: Endozytose, Exozytose
Stoffaustausch innerhalb der Zelle
Zellbestandteile, Strukturen und Funktionen:
Fragen zur Zelle :
Die Nervenzelle
Aufbau des Neurons
Elektrische Erregungsleitung
Wie pflanzt sich die Erregung in einer Nervenfaser fort?
Die chemische Reizübertragung
Spezialisierte Neurone: Input-Zellen (afferente Neurone)
Afferente Nerven:
Efferente Neurone (Effektorzellen, Motorneurone)
Gliazellen
Blut-Hirn-Schranke
Fragen zur Nervenzelle:
Verwendete Literatur:
Die Zelle:
Was ist eine Zelle?
Es gibt Zellen, die als Einzelwesen existieren: z. Bsp. die Amöbe (Erreger der Amöbenruhr). Diese Zelle hat alle Organellen, um allein existieren zu können und sich fortzupflanzen. Meistens aber finden sich Zellen in einem Verbund (oft als spezielles Organ). Eine Zelle ist ein paar Hundertstel mm groß, daher besser mit einem Mikroskop zu beobachten. Durch Beobachtung mit dem Elektronenmikroskop können die Ultrastrukturen einer Zelle studiert werden: Zellmembran, Cytoplasma, Zellkernmembran, Zellkern, Mitochondrien, rauhes (rough endoplasmatic reticulum = RER) und glattes endoplasmatisches Reticulum (smooth endoplasmatic reticulum = SER), Golgiapparat, Nahrungsvakuolen, Filamente. Im Zellkern ist die genetische Information in Form der Desoxyribonucleinsäure (DNS, englisch desoxyribonleinacid = DNA) gespeichert. Bei der Zellteilung verdoppeln sich die Chromosomen, die Zelle schnürt sich ab und es entstehen 2 Zellen mit dem gleichen Chromosomensatz. Die Anzahl der Chromosomen ist für jede Spezies Lebewesen unterschiedlich (beim Menschen gibt es 22 Paare Autosomen sowie bei der Frau zwei X und beim Mann ein X und ein Y Heterosom, insgesamt also 46 Chromosomen). Einzelheiten über die Vererbung, Genetik und Cytogenetik werden in der Vorlesung "Vererbung, Umwelt und Verhalten“ behandelt.
Die Genetik, insbesondere die Molekulargenetik hat in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung durch Methoden, wie die Polymerasekettenreaktion (PCR) etc. genommen. Es werden Genkarten für alle Lebewesen (Pflanzen, Tiere, Menschen) aufgestellt in der Hoffnung, viele Krankheiten bekämpfen zu können, aber auch um z. Bsp. Verbrecher zu überführen, Vaterschaftsnachweise zu erstellen oder die Spuren der Menschheit zu verfolgen. Die Pflanzengenetik hat ebenso wie die tierische und menschliche Genetik zu erheblichen Irritationen in der Gesellschaft geführt (Gen-Mais, das Schaf Dolly, Zellkernimplantationen in Leihmütter-Eizellen etc.) Im Jahre 2.000 wurde nahezu das gesamte menschliche Genom identifiziert. Der Mensch hat ca. 80.000 Gene.
Alle Zellen sind ähnlich aufgebaut. Je höher jedoch ein Lebewesen strukturiert ist, desto spezifischer sind seine Zellen auf eine Aufgabe hin strukturiert. Ein geübter Zytologe Histologe, Pathologe) kann durch einen Blick in das Mikroskop sofort das Gewebe oder Organ erkennen , aus dem die Zellen stammen. Die natürliche geschlechtliche Fortpflanzung höherer Lebewesen nimmt einen anderen Verlauf (Meiose mit Ei- und Samenzelle und nur je der Hälfte eines Chromosomensatzes von Frau und Mann).
Zellbiologie:
Der wichtigste Grundbaustein der Zelle ist das Wasser, das ca. 70% des Zellinhaltes ausmacht. 4 Substanzklassen stellen nahezu den Rest der Zelle: Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren und Nukleotide. 6 natürliche Elemente machen 99% ihres Gewichtes aus:
C, H, N, O, P und S, wobei H²O, wie gesagt, 70% des Zellgewichtes ausmacht.
Weitere wichtige Elemente (teilweise auch Spurenelemente) sind Ca, K, Se, Cl, Mg, Zn...
Zucker:
Die einfachen Zucker sind die wichtigsten Energielieferanten der Zelle, die Polysaccharide dienen als Energiespeicher (Glykogen, Stärke) sowie als Stützsubstanzen (Zellulose).
Beispiel: Glukose wird zu CO² und Wasser verbrannt, wobei Energie frei wird:
C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + Energie.
Diese Form der Energiegewinnung heißt aerob, weil Sauerstoff (6 O²) verbraucht wird. Muß Energie ohne Sauerstoff erzeugt werden, dann nennt man das anaerobe Energiegewinnung (siehe Probleme in der Sportmedizin). Die Energie wird zum Aufbau des Haupttreibstoffes der Zelle verwendet, zur Synthese von Adenosintriphosphat (ATP). ATP kann nur zu 5% anaerob synthetisiert werden.
Polysaccharide werden durch Zusammenhängen vieler Monosaccharide erzeugt, z. Bsp. wird Glykogen aus Glukosemolekülen zusammengesetzt, ebenso Stärke und Zellulose, jeweils mit verschiedenen Funktionen. Zucker gehen auch mit Fetten (Glykolipide) und mit Eiweißen (Glykoproteine) Verbindungen ein.
Fettsäuren:
Fettsäuren dienen in Form von Körperfettanteilen als Energiespeicher, die Phospholipide als Zellbestandteile. Die Fettsäuren bestehen aus einer langen Kohlenwasserstoffkette (hydrophob) und einer Carboxylgruppe (hydrophil). Die Verbindung von 3 Molekülen Fettsäure und einem Molekül Glyzerin ergibt unser Körperfett (Triglyceride).
Eiweiß:
Zwanzig Aminosäuren sind die Bausteine der Körpereiweiße (Proteine). Aufgaben der Eiweiße sind u. a. die Bildung von Gerüstsubstanzen, Hormonen, Rezeptoren in den Membranen etc. Chemisch besitzen die Aminosäuren zusätzlich Stickstoff in Form von Aminogruppen: -NH3+. Zwei Aminosäuren besitzen auch noch ein Schwefelatom: Methionin und Zystein. Der Mensch kann 12 der 20 Aminosäuren selbst synthetisieren, 8 muss er mit der Nahrung zuführen. Daher Vorsicht bei streng vegetarischer Ernährung, da diese Aminosäuren nur sehr begrenzt in der pflanzlicher Nahrung vorkommen. Aus diesen 20 Aminosäuren kann durch unterschiedliche Anordnung eine unendliche Anzahl von verschiedenen Makromolekülen gebildet werden: Rechnerisch kann ein Eiweißmolekül mit z. Bsp. nur 100 Aminosäuren aus 10130 verschiedenen Aminosäuresequenzen bestehen, wobei jedes dieser Proteine eine andere Botschaft oder Information enthalten kann.
Nukleotide:
Das spezielle Beispiel für ein Nukleotid ist das Adenosintriphosphat (ATP). Die Nukleotide bestehen aus einer der 5 stickstoffhaltigen Basen (beim ATP ist es das Adenin), aus einem von zwei Pentosen (Zucker mit 5 C-Atomen, beim ATP Ribose, sonst aber auch aus Desoxyribose) und 1-3 Phosphorsäuren (als Beispiele: Adenosinmonophosphat (AMP), Adenosindiphosphat (ADP), Adenosintriphosphat (ATP)).
Aufgaben der Nukleotide sind
a) die Übermittlung biologischer Informationen
b) die Bereitstellung von Energie (besonders ATP).
Beim ATP sind die beiden letzten Phosphorsäuren durch besonders energiereiche Verbindungen miteinander verknüpft, die Letzte ist jedoch leicht lösbar, vergleichbar mit einer Sprungfeder. Dadurch ist bei akutem Energiebedarf, z. Bsp. bei einer Muskelzuckung die letzte Phosphorsäure blitzartig ausklinkbar, wodurch die Energie sofort zur Verfügung steht. Es entsteht ADP. Unter Energieaufwand muss dann die letzte Phosphorsäure wieder angeklinkt werden (die Sprungfeder sozusagen wieder gespannt werden), damit erneut ATP zur Verfügung steht.
Die wichtigsten ATP-verbrauchenden Prozesse sind:
a) der Transport von Stoffen durch die Zellmembran,
b) die Synthese von Eiweiß und anderen Zellbestandteilen und
c) mechanische und geistige Arbeiten.
Ein Beispiel: Um 2 Aminosäuren aneinander zu knüpfen braucht es 3 ATP-Spaltungen zu ADP. Da ein Eiweiß aus tausenden von Aminosäuren besteht, braucht es also X-tausende von ATP-Spaltungen.
Nukleinsäuren sind Biopolymere aus Ketten von Nukleotiden. Es sind außerordentlich lange unverzweigte Ketten, wovon es nur 2 Sorten gibt: DNA und RNA. Jede Nukleinsäure enthält also nur eine Sorte von Pentosen (Desoxyribose oder Ribose) und nur 4 Basen: Adenin, Guanin, Zytosin, und entweder Thymin in der DNS oder Urazil in der RNS .
Enzyme
Im Körper gibt es Tausende von reaktionsbeschleunigenden Enzymen, ohne die das Leben nicht möglich wäre. Beispiele sind Amylase, Maltase, Trypsin, Lipase...In jeder Zelle sind Tausende von Enzymen tätig (besonders in der inneren Membran der Mitochondrien), um z. Bsp. ADP wieder in ATP zu verwandeln.
Um den Körper jedoch z. Bsp. vor Selbstverdauung durch das Trypsin zu schützen, erzeugt er Schutzsubstanzen. Ein Beispiel ist das Alpha-1-Antitrypsin, welches in der Leber produziert wird. Fehlt dieses Schutzenzym (das Alpha-1-Antitrysin-Mangelsyndrom ist eine Erbkrankheit, in unserer Bevölkerung ca. 1:6000), sterben die Betroffenen an der Ateminsuffizienz bereits in jüngeren Jahren durch ein Lungenemphysem (im Volksmund auch Lungenblähung oder Blählunge genannt): die Lunge wurde durch das körpereigene Trypsin zerstört. Bei rechtzeitiger Erkennung dieser Erbkrankheit kann durch parenterale Zufuhr von Aplha-1-Antitrypsin der Vorgang der Selbstverdauung gebremst werden.
Zellmembran:
Die Zellmembran ist nicht nur eine Trennwand sondern sie ist aktiv an wichtigen Lebensprozessen beteiligt: Die Phospholipid-Doppelwand ist hydrophil (außen) und hydrophob (innen), Ca. 4-5 Nanometer dick, aber trotzdem sehr stabil, durchsetzt von hydrophilen Glykolipiden, Cholesterinmolekülen und globulären Proteinen.
Die 4 Hauptaufgaben der Membranproteine:
a) Sie durchbrechen die wasserunlösliche Lipidschicht und bilden Kanäle für den Durchtritt von Wasser und Salzen.
b) Sie wirken als Träger und Transportmoleküle, die andere Moleküle an sich anlagern und dann durch die Membran befördern.
c) Sie beteiligen sich am Stoffwechsel der Zelle.
d) Sie tragen zur Festigkeit der Zellmembran bei.
e) Sie sind Träger der Rezeptoren.
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- Arbeit zitieren
- Syzane Berisha (Autor:in), 2001, Von der Zelle zum Neuron, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/790