Leseprobe_Biologische Psychologie

 Zellbiologie

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Leseprobe aus: Schandry, Biologische Psychologie, ISBN 978-3-621-28182-9 © 2016 Beltz Verlag, Weinheim Basel…
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Leseprobe aus: Schandry, Biologische Psychologie, ISBN 978-3-621-28182-9 © 2016 Beltz Verlag, Weinheim Basel http://www.beltz.de/de/nc/verlagsgruppe-beltz/gesamtprogramm.html?isbn=978-3-621-28182-9 BELTZ Bad Langensalza GmbH o:/Beltz/Schandry_4A/_Satzdaten/Kap.03rv_encoded.3d from 18.04.2016 22:48:44 3B2 9.1.580; Page size: 194.00mm x 250.00mm Leseprobe aus: Schandry, Biologische Psychologie, ISBN 978-3-621-28182-9 © 2016 Beltz Verlag, Weinheim Basel 3 Bausteine des Nervensystems – Neuronen und Gliazellen 3 Das Nervensystem ist das wichtigste und schnellste Eukaryontenzelle, die mit einem Zellkern versehen ist. informationsübertragende System des Körpers. In Se- Dieser Zelltyp findet sich in prinzipiell gleicher Weise kundenbruchteilen können Informationen von der bei den meisten einzelligen und vielzelligen Lebewesen, Peripherie – z.B. der Haut oder den Sinnesorganen – den sog. Eukaryonten (Pflanzen, Tiere). Daneben kennt ins Gehirn gelangen, dort verarbeitet werden und Re- man noch die sog. Prokaryonten, zu denen etwa Bak- aktionen darauf ausgelöst werden. Die Leistungen des terien und bestimmte Algen zählen. In diesen Zellen menschlichen Nervensystems werden durch das Zu- fehlt ein voll ausgebildeter Zellkern. Die DNA sammenwirken von schätzungsweise 100 Milliarden schwimmt einfach neben anderen Zellbestandteilen in Nervenzellen innerhalb eines komplexen Netzwerks der von einer Membran begrenzten Zelle. ermöglicht. Dieses Netzwerk ist so engmaschig, dass Auch die Eukaryontenzelle ist von ihrer Umgebung eine einzelne Nervenzelle bis zu einige Tausend Kon- durch die Zellmembran abgegrenzt. In ihrem Inneren takte mit anderen Nervenzellen besitzen kann. befindet sich das Zytoplasma und der Nucleus (Zell- kern). Das Zytoplasma seinerseits setzt sich aus dem ! Das Nervensystem hat zwei zelluläre Haupt- bestandteile, die Neuronen (Nervenzellen) Zytosol (Zellflüssigkeit) und einer Reihe von kleineren Strukturen, den Zellorganellen (s.Abb.3.1), und dem und die Gliazellen. Die Neuronen dienen der In- Zytoskelett zusammen. formationsverarbeitung, d.h. dem Transport und der Verarbeitung von Signalen. Die Gliazellen stel- Zellkern, Kernmembran und Nucleolus len in erster Linie einen Hilfsapparat für die Neu- Der Zellkern ist von dem umgebenden Zytoplasma durch ronen dar: Sie üben Schutz-, Versorgungs- und eine eigene, als Doppelschicht ausgebildete Kernmem- Stützfunktionen aus. bran (Kernhülle) getrennt. Im Zellkern ist die gesamte genetische Information des Individuums in Form des kompletten Chromosomensatzes gespeichert. Speziell für den Aufbau von Proteinen wird die aktuell benötigte 3.1 Aufbau und Elemente des Neurons Information zunächst auf eine Messenger-RNA (mRNA) kopiert (s.Abschn.2.4.1) und durch Poren in der Kern- Beim Neuron handelt es sich um eine Sonderform der membran in das Zytoplasma ausgeschleust. Dort kann tierischen Zelle. Es zeigt den Grundaufbau und die dann die Proteinsynthese stattfinden. Basiselemente jeder Zelle eines tierischen Organismus. Im Zellkern findet sich eine Substruktur, der Nu- Allerdings ist es darüber hinaus mit einigen speziellen cleolus (Kernkörperchen). Hier werden die Ribosomen Merkmalen ausgestattet, die es ihm ermöglichen, die (s.u.) gebildet, die eine wesentliche Rolle bei der Pro- typischen Aufgaben des Nervensystems im Zusammen- teinsynthese spielen. Bei sehr stoffwechselaktiven Zellen hang mit der Informationsverarbeitung zu erfüllen. können auch mehrere Nucleoli vorkommen, da bei einem hohen Bedarf an Proteinsynthese auch entspre- chend mehr Ribosomen benötigt werden. 3.1.1 Das Neuron als Spezialisierung der Durch die Poren der Kernmembran können nicht tierischen Zelle nur die mRNA und die Ribosomen aus dem Kern Die wesentlichen Eigenschaften alles Lebendigen sind hinaus ins Zytoplasma transportiert werden, sondern Stoffwechsel, Wachstum, Bewegung und Vermehrung. umgekehrt können durch sie auch sog. »regulatorische Diese Aufgaben werden von den in verschiedener Weise Proteine« in den Kern gelangen, um dort z.B. Einfluss spezialisierten Zellen des Körpers übernommen. Bei der auf Prozesse der Genexpression (s.Abschn.2.4.1) zu tierischen Zelle handelt es sich um den Typ der sog. nehmen. 46 3 Bausteine des Nervensystems – Neuronen und Gliazellen BELTZ Bad Langensalza GmbH o:/Beltz/Schandry_4A/_Satzdaten/Kap.03rv_encoded.3d from 18.04.2016 22:48:45 3B2 9.1.580; Page size: 194.00mm x 250.00mm Leseprobe aus: Schandry, Biologische Psychologie, ISBN 978-3-621-28182-9 © 2016 Beltz Verlag, Weinheim Basel Zellkern enthält die Chromosomen mit den Genen Kernmembran Endoplasmatisches Retikulum mehrfach gefaltete Struktur, hier werden Proteine hergestellt Mitochondrium stellt Energievorräte bereit Golgi-Apparat vielfach gefaltete membranöse Intrazellulärflüssigkeit (Zytosol) Struktur, »verpackt« Moleküle stellt die wässrige Umgebung für zum Zwecke des Transports die Zellorganellen dar Dendritischer Dorn Mikrotubuli vergrößert die dendri- stabilisieren die Zellstruktur und tische Oberfläche, hier dienen dem Transport von Stoffen docken die Axone anderer Zellen an Zellmembran Mikrofilamente Bestandteile des Zellgerüsts Axon Dendrit Lysosomen leitet die Information eine Verzweigung, die der sackartige Gebilde, die u. a. der Beseiti- zu anderen Zellen Aufnahme von Signalen von anderen Zellen dient gung von Abbau- produkten dienen Abbildung 3.1 Typische Bestandteile des Neurons. Es ist ein Neuron mit den wichtigsten Zellorganellen dargestellt häufig als die Kraftwerke der Zelle bezeichnet. Sie ! Der Zellkern ist vom Zellplasma durch eine Doppelmembran abgegrenzt. Er beherbergt weisen zwei Membranen auf, eine äußere und eine stark gefaltete innere Membran (s.Abb.3.1). Sowohl der von die Chromosomen als Träger der genetischen Infor- der inneren Membran umschlossene Raum, die sog. mation. Der Nucleolus ist der Ort der Ribosomen- Matrix, als auch der Raum zwischen äußerer und bildung. innerer Membran spielen eine wichtige Rolle beim Die Kernmembran weist Poren zum Austritt von mitochondrialen Stoffwechsel, der zahlreiche lebens- Messenger-RNA und zum Eintritt von Proteinen erhaltende chemische Umwandlungsprozesse beinhal- auf. tet. Im Mitochondrium wird z.B. Fett abgebaut und die daraus gewonnenen Energieträger werden in Adenosin- Neben dem Zellkern enthält die Zelle weitere Organel- triphosphat (ATP) umgewandelt. ATP kann in fast len. Diese sind Bestandteile des Zytoplasmas. Die wich- allen Organen – wie z.B. der Muskulatur oder dem tigsten Zellorganellen werden im Folgenden behandelt. Gehirn – bei energieverbrauchenden Prozessen als Treibstoff dienen. Mitochondrien Unter dem Lichtmikroskop erkennt man die Mito- chondrien als kugelige bzw. fadenförmige Strukturen ! Die Mitochondrien sind die »Kraftwerke der Zelle«. Sie bilden das für den Energiehaushalt – daraus wird ihr Name verständlich (gr. mitos = Faden, der Zelle lebensnotwendige Adenosintriphosphat gr. chondros = Korn). Die Mitochondrien werden (ATP). 3.1 Aufbau und Elemente des Neurons 47 BELTZ Bad Langensalza GmbH o:/Beltz/Schandry_4A/_Satzdaten/Kap.03rv_encoded.3d from 18.04.2016 22:48:46 3B2 9.1.580; Page size: 194.00mm x 250.00mm Leseprobe aus: Schandry, Biologische Psychologie, ISBN 978-3-621-28182-9 © 2016 Beltz Verlag, Weinheim Basel Ribosomen schrittweise Verkettung von Aminosäuren, bis das fer- Die Ribosomen sind die Orte der Proteinsynthese. Sie tige Polypeptid (i.Allg. ein Protein) entstanden ist werden im Nucleolus des Zellkerns aus der ribosomalen (s.Abb.3.2). RNA (rRNA) und aus Proteinen aufgebaut. Nach Aus- Ribosomen können frei im Zytosol schwimmend 3 schleusung durch die Kernporen in das Zytoplasma vorkommen (»freie Ribosomen«). Diese lagern sich dienen sie hier der Proteinsynthese. Ribosomen beste- jedoch meist in Ketten an einen mRNA-Strang an – hen aus zwei Untereinheiten, zwischen denen die man nennt sie dann Polyribosomen oder kürzer Poly- mRNA abgelesen und die von der tRNA (Transfer- somen. Diese Ribosomen stellen überwiegend solche RNA) transportierten Aminosäuren in der richtigen Proteine her, die im Zytoplasma der Zelle verbleiben. Reihenfolge zusammengefügt werden. Normalerweise Sind die herzustellenden Proteine jedoch für die Ver- wandern viele Ribosomen gleichzeitig in festgelegter wendung in anderen Organellen, in der Zellmembran Richtung entlang einer mRNA und katalysieren die oder für den Export aus der Zelle heraus bestimmt, werden sie an Ribosomen synthetisiert, die in großer Dichte auf einem weiteren Zellorganell sitzen, dem Zellkern rauen endoplasmatischen Retikulum. ! Ribosomen werden im Nucleolus aus der ribo- somalen RNA und Proteinen aufgebaut. Auf- gabe der Ribosomen ist die Proteinsynthese. mRNA Endoplasmatisches Retikulum und Golgi-Apparat Unter dem Mikroskop erscheint das endoplasmatische Retikulum (abgek. ER) als eine mitunter weitver- Ribosomen zweigte Hohlraumstruktur. Es besteht aus einem gut Zelleigene Nutzung ausgebildeten Membransystem, das mehrere Hohl- Protein räume miteinander vernetzt (s.Abb.3.1). Glattes und raues ER. Man unterscheidet zwei Typen von Golgi- endoplasmatischen Retikula. An den Membranen des Apparat glatten endoplasmatischen Retikulums erfolgt die Synthese von Fettsäuren und Phospholipiden (also Fetten), die für den Aufbau der Zellmembran (s.u.) benötigt werden. Außerdem spielt es eine wichtige Rolle bei der Herstellung von bestimmten Hormonen sowie beim Abbau von Giften. In der Muskulatur dient das glatte ER der Speicherung von Kalziumionen und ist Vesikel damit von essenzieller Bedeutung für die Muskelkon- traktion. Das raue ER steht mit der Membran des Zellkerns in Exozytose Verbindung. Seine Oberfläche ist übersät von Riboso- Zell- men, dadurch erscheint sie rau. An diesen Ribosomen membran werden Proteine gebildet, die z.B. für den Aufbau von Abbildung 3.2 Proteinsynthese innerhalb der Zelle. Die zellulären Membranen oder für den Export aus der Zelle mRNA transportiert die genetische Information aus dem heraus bestimmt sind. Sie werden durch das innere Zellkern heraus ins Zytoplasma. Hier regt die Ribosomen- Membransystem des ER zur Oberfläche des Retikulums aktivität die Bildung von Proteinen an, die im Golgi-Apparat geleitet und an den Golgi-Apparat weitergegeben, der in Vesikel verpackt werden können, um dann entweder zu anderen Zellorganellen zu gelangen oder durch Exozytose in dem rauen ER meist eng benachbart ist. den Extrazellulärraum abgegeben zu werden 48 3 Bausteine des Nervensystems – Neuronen und Gliazellen BELTZ Bad Langensalza GmbH o:/Beltz/Schandry_4A/_Satzdaten/Kap.03rv_encoded.3d from 18.04.2016 22:48:46 3B2 9.1.580; Page size: 194.00mm x 250.00mm Leseprobe aus: Schandry, Biologische Psychologie, ISBN 978-3-621-28182-9 © 2016 Beltz Verlag, Weinheim Basel Golgi-Apparat. Der Golgi-Apparat weist, ähnlich wie Sto¨rungsbild das ER, im Inneren ein System übereinandergestapelter Membranen auf. Hier findet eine Aufbereitung der am Lysosomale Speicherkrankheiten rauen ER gebildeten Proteine statt. Häufig werden an Man kennt beim Menschen eine Reihe von Nerven- die bereits gebildeten Aminosäureketten andere che- krankheiten, die mit dem gestörten lysosomalen mische Gruppen angehängt, wie z.B. Zuckerreste, Phos- Abbau von Substanzen zusammenhängen. Ein Bei- phat- oder Schwefelgruppen. Im Golgi-Apparat spielt spiel dafür ist die Tay-Sachs-Krankheit, eine seltene sich u.a. auch eine Art »Sortierung« der Proteine hin- erbliche Nervenkrankheit. Hier kann ein bestimmter sichtlich ihres Bestimmungsorts statt. Außerdem Stoff (ein Lipidmolekül), das u.a. dem Aufbau der schnürt der Golgi-Apparat ständig kleine Stücke seiner Nervenzellmembran dient, nicht mehr abgebaut Membran ab. Die so entstandenen »Pakete« bilden die werden. Beim Gesunden wird die überschüssige Form von Bläschen, sog. Vesikeln (auch »Golgi-Vesi- Substanz durch ein lysosomales Enzym aktiv zerlegt kel«). In den Vesikeln kann der verpackte Inhalt – und kann so aus dem Zellmilieu entfernt werden. Bei Proteine oder auch kleinere Moleküle – vermittels den Erkrankten fehlt es aufgrund eines defekten Gens zellinterner Transportprozesse durch das Zytosol trans- an dem zum Abbau benötigten Enzym. So kommt es portiert werden. Die Vesikel können, da sie ja ebenfalls zu Ablagerungen dieses Stoffes an den Membranen eine membranöse Umhüllung besitzen, ggf. auch mit speziell der Gehirnzellen, was eine Reihe von fatalen der Zellmembran verschmelzen und dabei ihren Inhalt Konsequenzen hat: Bereits im ersten Lebensjahr zeigt über Exozytose in das Zelläußere freisetzen. sich eine Einschränkung der psychomotorischen Leistungen. Später kommt es zu Lähmungen und Krampfanfällen bei stark verzögerter Gehirnentwick- ! Das glatte endoplasmatische Retikulum dient u.a. der Fettsynthese und im Muskel als Kalzium- lung. Ebenso lässt das Sehvermögen nach, oft bis zur ionenspeicher. Erblindung. Der Tod tritt meist innerhalb von zwei Das raue endoplasmatische Retikulum ist mit bis drei Jahren ein. seinen angelagerten Ribosomen Ort der Synthese von Proteinen. Diese können im Golgi-Apparat Peroxisomen. Peroxisomen sind Gebilde, die nur von modifiziert und in Vesikel verpackt werden. Durch einer einschichtigen Membran umgeben sind. Sie spie- Verschmelzung der Vesikelmembran mit anderen len eine wichtige Rolle beim Abbau der in vielen Stoff- Membranen können dann die Vesikel ihren Inhalt wechselvorgängen entstehenden schädlichen Peroxid- an einem anderen Ort wieder abgeben. radikalen und können selbst Wasserstoffperoxid bilden und spalten – daher der Name. Darüber hinaus betei- ligen sie sich – neben den Mitochondrien – am Fett- Lysosomen und Peroxisomen abbau sowie am Abbau von Alkohol. Lysosomen. Bei den Lysosomen handelt es sich um kleine kugelförmige Organellen, die von einer Membran umgeben sind. Sie dienen v.a. dem aktiven Abbau und ! Lysosomen beseitigen zelleigene Abfallpro- dukte sowie zellfremde schädliche Substanzen. Wegtransport von Substanzen, die in der Zelle nicht Zu diesem Zweck befinden sich innerhalb ihrer (mehr) benötigt werden. Von daher wird auch der Membran zahlreiche hochaktive Enzyme. Name verständlich: Ein Körper (lat. soma), dessen Inhalt Peroxisomen dienen Entgiftungsreaktionen. Sie lytische (gr. lysis = Auflösung) Aktivität besitzt. Der wandeln u.a. Peroxidradikale, Fette und Alkohol Abbau geschieht in Anwesenheit bestimmter hochaktiver chemisch um. Enzyme. Die abgebauten Stoffe können in der Zelle selbst entstanden sein und nicht mehr benötigt werden, oder es kann sich um extrazelluläre Makromoleküle handeln, die Zytoskelett in die Zelle aufgenommen wurden. Letzteres ist ins- Das gesamte Innere der Zelle wird vom Zytoskelett besondere bei Zellen des Immunsystems der Fall, die durchzogen. Es ist die Basis für die räumliche Struktur auf diese Weise schädliche Stoffe und potenzielle Krank- der Zelle und ggf. deren Veränderungen, etwa bei heitserreger (z.B. Bakterien) beseitigen. Bewegungen. Das Zytoskelett wird aus speziellen Pro- 3.1 Aufbau und Elemente des Neurons 49 BELTZ Bad Langensalza GmbH o:/Beltz/Schandry_4A/_Satzdaten/Kap.03rv_encoded.3d from 18.04.2016 22:48:46 3B2 9.1.580; Page size: 194.00mm x 250.00mm Leseprobe aus: Schandry, Biologische Psychologie, ISBN 978-3-621-28182-9 © 2016 Beltz Verlag, Weinheim Basel teinen gebildet, die sich aufgrund ihres Aufbaus ver- haken und vernetzen können und damit geeignet sind, ! Die röhrenförmigen Mikrotubuli (beim Neu- ron Neurotubuli) dienen v.a. dem gerichteten ein Gerüst zu bilden. Man kann hierbei drei Klassen von Transport von Stoffen innerhalb der Zelle. Mikro- Strukturen unterscheiden: Mikrotubuli, Mikrofila- filamente (Neurofilamente) tragen zur Stabilität der 3 mente und Intermediärfilamente. Zellgestalt bei und dienen bei einigen Zellen der Mikrotubuli sind röhrenförmige, langgestreckte Fortbewegung, insbesondere während der Entwick- Strukturen, welche die Zelle durchziehen. Im Neuron lung des Nervensystems. Intermediärfilamente die- werden sie Neurotubuli genannt. Sie haben eine röh- nen v.a. zur Formgebung und Stabilisierung der renförmige, relativ geradlinige Gestalt. In den langen Zelle. Fortsätzen der Nervenzelle sind die Neurotubuli parallel und in etwa gleichen Abständen angeordnet. Entlang der Neurotubuli können Stoffe über große Entfernun- Zytosol gen im Inneren der Zelle transportiert werden. Auch die Die Zellorganellen und das Zytoskelett sind von Flüssig- Bewegung bzw. Fixierung von Organellen im Zytosol keit, dem Zytosol, umgeben. Es bildet also den flüssigen gehört zu den Aufgaben der Mikrotubuli. Bei einer Bestandteil des Zytoplasmas. Es füllt das gesamte Zell- Destabilisierung der Neurotubuli infolge pathologi- innere aus. Das Zytosol besteht im Wesentlichen aus scher Veränderungen der sog. Tau-Proteine (deren Wasser, Proteinen und wasserlöslichen Ionen. physiologische Aufgabe die Strukturbildung vermittels der Neurotubuli ist) kommt es zu einer Bündelung und Zellmembran Klumpenbildung von Neurofibrillen. Dies ist ein wich- Die Zellmembran (Plasmamembran) grenzt die Zelle tiger Prozess bei der Entstehung der Alzheimer-Krank- von ihrer Umgebung ab und gestattet es ihr damit, als heit (s.Abschn.21.1.7). eine selbstständige Einheit zu funktionieren. Bei allen Einen wesentlich kleineren Durchmesser als die Mi- tierischen Zellen besteht die Zellmembran aus Phos- krotubuli haben die Mikrofilamente. Sie bestehen pholipiden sowie eingelagerten Proteinen. Lipide sind hauptsächlich aus Aktin. Dieses Protein spielt eine Fette oder fettähnliche Stoffe, also Substanzen, die in wichtige Rolle bei aktiver Formveränderung von Zellen. Wasser unlöslich sind. Phospholipide bestehen aus ei- Mikrofilamente sind häufig mit der Zellmembran ver- nem Lipid-»Schwanz« aus wasserabstoßenden (hydro- bunden und erfüllen damit einerseits strukturgebende phoben bzw. lipophilen) Fettsäuren und einem wasser- Aufgaben, andererseits sind sie für die Bewegung von anziehenden (hydrophilen oder lipophoben) Phosphat- Zellen (mit)verantwortlich. Mikrofilamente sind im »Kopf«. In einer wässrigen Lösung lagern sich deshalb Neuron weit verbreitet, v.a. in den zahllosen Fortsätzen, die Lipidmoleküle paarweise so aneinander an, dass die die dem Neuron seine typische Struktur geben wasserabstoßenden Lipidteile sich einander zuwenden (s.Abb.3.6). Während der Entwicklung des Organismus und damit vor dem Wasser »geschützt« werden und tragen die Mikrofilamente durch Kontraktion auch zur demgemäß die hydrophilen Molekülteile dem Wasser sog. amöboiden Bewegung bei. Hierbei kann die Zelle zugewandt sind). Dadurch kommt die für Zellmem- sich aufgrund von Änderungen ihrer Gestalt fortbewe- branen typische Lipid-Doppelschicht (s.Abb.3.3) zu- gen. stande. Intermediärfilamente (im Neuron: Neurofilamente) Auch die in die Zellmembran eingelagerten Proteine besitzen eine mittlere Größe zwischen Mikrotubuli und besitzen i.Allg. geladene, hydrophile, und ungeladene, Mikrofilamenten. Sie dienen ebenso wie die Mikrofila- hydrophobe, Bereiche. Dies führt dazu, dass sie sich in mente der Stabilität und der Aufrechterhaltung der einer bestimmten, räumlich relativ stabilen Weise etwa Zellform. Die intermediären Filamente können auch rechtwinklig zum Membranquerschnitt ausrichten. Seit- bewirken, dass mehrere Zellen sich zu strukturellen lich sind sie jedoch relativ leicht verschiebbar. Einheiten zu verbinden. Membranproteine. Proteine, die in die Membran einge- Mikrotubuli (Neurotubuli) und Mikrofilamente lagert sind, die sog. Membranproteine, sind von emi- (Neurofilamente) fasst man zu den Mikrofibrillen nenter Wichtigkeit für die Zelle. Sie können entweder (Neurofibrillen) zusammen. nur auf einer Seite aus der Membranoberfläche heraus- ragen oder die Membran vollständig durchziehen und 50 3 Bausteine des Nervensystems – Neuronen und Gliazellen BELTZ Bad Langensalza GmbH o:/Beltz/Schandry_4A/_Satzdaten/Kap.03rv_encoded.3d from 18.04.2016 22:48:46 3B2 9.1.580; Page size: 194.00mm x 250.00mm Leseprobe aus: Schandry, Biologische Psychologie, ISBN 978-3-621-28182-9 © 2016 Beltz Verlag, Weinheim Basel ¨ bersi
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