Information

35: Das Nervensystem - Biologie


35: Das Nervensystem

57 Unglaublich einfache Fragen und Antworten zum Studium des Nervensystems

Sowohl das Nervensystem als auch das endokrine System gelten als integrative Systeme. Diese Bezeichnung rührt von der Tatsache her, dass beide Systeme biologische Funktionen steuern und regulieren und auf Distanz agieren, Informationen von Organen und Geweben empfangen und Effektorbefehle (Nervenimpulse oder Hormone) an Organe und Gewebe senden und so den Körper integrieren.

Zentrales und peripheres Nervensystem

Weitere mundgerechte Fragen und Antworten unten

2. Aus welchen Strukturen besteht das Nervensystem?

Die Strukturen des Nervensystems lassen sich in das zentrale Nervensystem (ZNS) und das periphere Nervensystem (PNS) unterteilen.

Die Organe des ZNS sind das Gehirn (Großhirn, Hirnstamm und Kleinhirn) und das Rückenmark. Das PNS besteht aus Nerven und Nervenganglien. Neben diesen Organen gehören auch die Hirnhäute (Dura-Mater, Arachnoidea und Pia-Mater) zum Nervensystem, da sie das Gehirn und das Rückenmark bedecken und schützen.

Wählen Sie eine Frage aus, um sie auf FB oder Twitter zu teilen

Wählen Sie einfach eine Frage aus (oder doppelklicken Sie darauf), um sie zu teilen. Fordern Sie Ihre Facebook- und Twitter-Freunde heraus.

Zellen des Nervensystems

3. Was sind die Hauptzellen des Nervensystems?

Die Hauptzellen des Nervensystems sind Neuronen. Neben Neuronen besteht das Nervensystem auch aus Gliazellen. 

4. Was sind die funktionellen Unterschiede zwischen Neuronen und Gliazellen?

Gliazellen und Neuronen sind die Zellen, die das Nervensystem bilden. Neuronen sind Zellen, die die Funktion haben, neurale Impulse zu empfangen und zu übertragen, während Gliazellen (Astrozyten, Mikrogliozyten, Ependymzellen und Oligodendrozyten) die Zellen sind, die die Neuronen unterstützen, ernähren und (elektrisch) isolieren. Auch die Schwann-Zellen, die die Myelinscheide des peripheren Nervensystems produzieren, können als Gliazellen bezeichnet werden.

Neuronen und Synapsen

5. In welche drei Hauptteile kann ein Neuron unterteilt werden? Was sind ihre jeweiligen Funktionen?

Die drei Hauptteile, in die ein Neuron unterteilt werden kann, sind: Dendriten, der Zellkörper und das Axon.

Dendriten sind Projektionen der Plasmamembran, die den neuralen Impuls von anderen Neuronen erhalten. Der Zellkörper ist der Ort, an dem sich der Zellkern und die wichtigsten Zellorganellen befinden. Das Axon ist der lange Membranfortsatz, der den Nervenimpuls auf Distanz zu anderen Neuronen, zu Muskelzellen und zu anderen Effektorzellen weiterleitet. 

6. Wie heißt der terminale Teil des Axons?

Der terminale Teil des Axons wird als präsynaptische Membran bezeichnet. Durch diese Membran werden Neurotransmitter in die synaptische Verbindung freigesetzt. 

7. Was sind Synapsen?

Synapsen sind die Strukturen, die einen neuralen Impuls zwischen zwei Neuronen übertragen.

Wenn der elektrische Impuls eintrifft, setzt die präsynaptische Membran des Axons Neurotransmitter frei, die an die postsynaptischen Rezeptoren der Dendriten der nächsten Zelle binden. Der aktivierte Zustand dieser Rezeptoren verändert die Permeabilität der dendritischen Membran und die elektrische Depolarisation bewegt sich entlang der Plasmamembran des Neurons zu seinem Axon.

Neuronale Übertragung

8. Was ist ein Beispiel für eine Situation, in der sich der Zellkörper eines Neurons in einem Teil des Körpers befindet, während sich sein axonaler Endabschnitt in einem anderen entfernten Teil des Körpers befindet? Warum passiert das?

Die meisten Neuronen befinden sich im Gehirn und im Rückenmark (dem zentralen Nervensystem) an Orten, die als Neuralkerne bekannt sind. Neuronale Ganglien oder einfach Ganglien sind Strukturen des peripheren Nervensystems, die sich neben der Wirbelsäule oder in der Nähe bestimmter Organe befinden, in denen sich auch Zellkörper von Neuronen befinden.

Neuronen, die sich an bestimmten Punkten befinden, können entfernte axonale Enden haben und können auch Impulse von den Axonen entfernter Neuronen empfangen. Ein Beispiel hierfür sind die inferioren Motoneuronen im Rückenmark, da deren Axone Informationen an die Extremitäten der unteren Extremitäten übermitteln und so Fußkontraktionen auslösen können.

9. Welche Arten von Neuronen gibt es in Bezug auf die Funktion der von ihnen übertragenen Impulse? Wie unterschiedlich sind die Konzepte von Afferenz und Efferenz in Bezug auf die neuronale Impulsübertragung?

Es gibt drei Arten von Neuronen: afferente Neuronen, efferente Neuronen und Interneuronen. Afferente Neuronen übermitteln nur sensorische Informationen aus den Geweben an Nervenkerne und Ganglien (wo sie mit Interneuronen oder Effektorneuronen in Kontakt kommen). Efferente Neuronen übermitteln Befehle für Aufgaben, die an mehreren Stellen des Körpers ausgeführt werden sollen. Interneurone, auch Assoziationsneuronen oder Relaisneuronen genannt, dienen als Verbindung zwischen den beiden anderen Neuronentypen.

Afferenz ist die Übertragung von Sinnesimpulsen und Efferenz ist die Übertragung von Effektorimpulsen (Impulse, die eine Aktion im Körper befehlen).

Nerven und Ganglien

10. Was sind Nerven?

Axone erstrecken sich durch den ganzen Körper innerhalb der Nerven. Nerven sind axonhaltige Strukturen, die eine Vielzahl von Axonen beherbergen und von Bindegewebe bedeckt sind. Nerven verbinden Nervenkerne und Ganglien mit Geweben.

Nerven können nur sensorische Axone (sensorische Nerven), nur motorische Axone (motorische Neuronen) oder beide Arten von Axonen (gemischte Nerven) enthalten.

11. Was sind Ganglien?

Ganglien (Singularganglion) oder neurale Ganglien sind Strukturen außerhalb des Zentralnervensystems (z. B. neben der Wirbelsäule oder in der Nähe der Eingeweide), die aus einer Konzentration von Neuronenkörpern bestehen.

Beispiele für neurale Ganglien sind die Ganglien, die die Zellkörper sensorischer Neuronen in den Rückenwurzeln des Rückenmarks enthalten, und die Ganglien des Plexus myentericus, die für die peristaltischen Bewegungen des Verdauungstraktes verantwortlich sind.

Im Zentralnervensystem (ZNS) werden Konzentrationen von Neuronenkörpern als Kerne und nicht als Ganglien bezeichnet. 

12. Was versteht man unter dem peripheren Nervensystem (PNS)?

Das periphere Nervensystem besteht aus den Nerven und Ganglien des Körpers.

Die Myelinscheide

13. Welche Funktion hat die Myelinscheide? Haben alle Axone eine Myelinscheide?

Die Funktion der Myelinscheide besteht darin, die Sicherheit und Geschwindigkeit der neuronalen Impulsübertragung entlang des Axons zu verbessern. Die Myelinscheide dient als elektrischer Isolator und verhindert die Ausbreitung des Impulses in andere benachbarte Strukturen. Da die Myelinscheide entlang ihrer Länge Lücken hat, die als Ranviers-Knoten bezeichnet werden, „springt“ der neurale Impuls von einem Knoten zum anderen und erhöht so die Geschwindigkeit der neuronalen Übertragung.

Nicht alle Neuronen besitzen eine Myelinscheide. Axonale Fasern können myelinisiert oder nicht myelinisiert sein.

14. Welche Zellen produzieren die Myelinscheide? Woraus besteht die Myelinscheide?

Im Zentralnervensystem (ZNS) besteht die Myelinscheide aus einer Anlagerung von Oligodendrozytenmembranen. Jeder Oligodendrozyten kann Teile der Axone mehrerer verschiedener Neuronen bedecken. Im peripheren Nervensystem (PNS) besteht die Myelinscheide aus aufeinanderfolgenden Schwannschen Zellmembranen, die Segmente eines einzelnen Axons bedecken. Die Ranviers-Knoten erscheinen im Interzellularraum zwischen diesen Zellen.

Die Myelinscheide ist reich an Lipiden, enthält aber auch Proteine. 

15. Bei welchen Krankheiten wird die axonale Myelinscheide nach und nach zerstört?

Multiple Sklerose ist eine schwere Erkrankung, die durch eine fortschreitende Zerstörung der Myelinscheide des Zentralnervensystems verursacht wird. Die Guillain-Barré-Krankheit ist auf die Zerstörung der Myelinscheide im peripheren Nervensystem durch Autoimmunität (Angriffe des körpereigenen Immunsystems) zurückzuführen. Ein genetischer Mangel bei der Bildung oder Erhaltung der Myelinscheide ist eine X-chromosomale Vererbung, die als Adrenoleukodystrophie bezeichnet wird. Der Film "Lorenzo's Oil" zeigte einen Jungen mit dieser Krankheit und die dramatische Suche seines Vaters nach einer Behandlung.

Hirnhaut

16. Was sind Hirnhäute und Liquor?

Hirnhäute sind die Membranen, die das zentrale Nervensystem (ZNS) umschließen und schützen. Zerebrospinalflüssigkeit ist die Flüssigkeit, die die drei Schichten trennt, die die Hirnhäute bilden. Es hat die Funktionen des Nährstofftransports, der Abwehr und des mechanischen Schutzes des ZNS.

Zerebrospinalflüssigkeit füllt und schützt Hohlräume des Gehirns und des Rückenmarks.

Die Funktionen und Anatomie des Gehirns

17. Was ist der Unterschied zwischen Gehirn und Großhirn? Was sind die Hauptbestandteile dieser Strukturen?

Das Konzept des Gehirns oder Enzephalon umfasst das Großhirn (meist als Hemisphären bezeichnet, aber in Wirklichkeit umfasst das Konzept auch den Thalamus und den Hypothalamus), den Hirnstamm (Mittelhirn, Pons und Medulla) und das Kleinhirn. Gehirn und Rückenmark bilden das zentrale Nervensystem (ZNS).

18. Wie ist das Großhirn anatomisch geteilt?

Das Großhirn ist in zwei Großhirnhemisphären unterteilt, die rechte und die linke. Jede Hemisphäre besteht aus vier Großhirnlappen: dem Frontallappen, dem Parietallappen, dem Temporallappen und dem Okzipitallappen.

Jeder Großhirnlappen enthält graue Substanz und  weiße Substanz. Die graue Substanz ist der äußere Teil und besteht aus Neuronenkörpern Die graue Substanz wird auch als Großhirnrinde bezeichnet. Weiße Substanz ist der innere Teil und ist weiß, weil sie sich in der Region befindet, in der die Axone der kortikalen Neuronen passieren.

19. Welche Hirnregion ist für die Koordination und das Gleichgewicht des Körpers zuständig?

Im Zentralnervensystem ist das Kleinhirn die Hauptsteuerung der motorischen Koordination und des Gleichgewichts. (Verwechseln Sie dies nicht mit Muskelbefehlen, die von den Großhirnhemisphären ausgeführt werden).

20. Warum ist das Kleinhirn bei springenden oder fliegenden Säugetieren stärker entwickelt?

Das Kleinhirn ist die Hauptstruktur im Gehirn, die die Bewegung und das Gleichgewicht des Körpers koordiniert. Aus diesem Grund scheint es bei springenden oder fliegenden Säugetieren (wie Fledermäusen) stärker entwickelt zu sein. Das Kleinhirn ist auch für den Vogelflug sehr wichtig.

21. Welche Hirnregion ist für die Regulierung von Atmung und Blutdruck zuständig?

Die neuronale Regulierung von Atmung, Blutdruck und anderen physiologischen Parametern wie Herzschlag, Verdauungssekrete, peristaltische Bewegungen und Transpiration wird durch das Mark durchgeführt.

Die Medulla gehört zusammen mit dem Pons und dem Mittelhirn zum Hirnstamm.

22. Welche Hirnregion empfängt bewusste Sinnesinformationen? Welche Hirnregion löst willkürliche motorische Aktivität aus?

Im Gehirn werden bewusste sensorische Informationen von Neuronen empfangen, die sich in einer speziellen Region befinden, die als postzentraler Gyrus (oder sensorischer Gyrus) bezeichnet wird. Gyri sind die Windungen des Großhirns. Jeder der beiden Gyri postcentralis befindet sich in einem der Parietallappen des Großhirns.

Die willkürliche motorische Aktivität (freiwillige Muskelbewegung) wird von Neuronen gesteuert, die sich im präzentralen Gyrus (oder motorischen Gyrus) befinden. Jeder der beiden präzentralen Gyri befindet sich in einem der Frontallappen des Großhirns.

Die Namen post- und präzentral beziehen sich auf die Tatsache, dass die motorischen und sensorischen Gyri in jeder Großhirnhemisphäre durch den Sulcus centralis, einen Spalt, der den Parietal- und den Frontallappen trennt, beabstandet sind.

Das Rückenmark und der Reflexbogen

23. Was ist das Rückenmark? Aus welchen Elementen besteht das Rückenmark?

Das Rückenmark ist das Rückenmark der Wirbeltiere. Es ist der Teil des Zentralnervensystems, der sich in den Rumpf fortsetzt, um die nervöse Integration des gesamten Körpers zu erleichtern.

Das Rückenmark besteht aus Gruppen von Neuronen, die in seinem zentralen Teil die graue Substanz bilden, und Axonfasern in seinem äußeren Teil, die weiße Substanz bilden. Neuralbündel verbinden sich mit beiden seitlichen Seiten der Rückenmarkssegmente, um die dorsalen und ventralen Spinalwurzeln zu bilden, die sich zu den Spinalnerven verbinden. Die dorsalen Spinalwurzeln enthalten ein Ganglion mit Neuronen, die sensorische Informationen empfangen. Die ventralen Spinalwurzeln enthalten motorische Fasern. Daher sind dorsale Wurzeln sensorische Wurzeln und ventrale Wurzeln motorische Wurzeln. 

24. Welche Gehirnregionen sind mit dem Gedächtnis verbunden?

Laut Forschern sind einige der Hauptregionen des Nervensystems, die mit dem Phänomen des Gedächtnisses verbunden sind, der Hippocampus, der sich im inneren Teil der Schläfenlappen befindet, und der Frontallappenkortex, die beide Teil der Großhirnhemisphären sind.

25. Wie ist die Tatsache zu erklären, dass die motorische Aktivität der linken Körperseite von der rechten Gehirnhälfte und die motorische Aktivität der rechten Körperseite von der linken Gehirnhälfte kontrolliert wird?

Die Großhirnhemisphären enthalten Neuronen, die die Muskelbewegungen zentral steuern und kontrollieren. Diese Neuronen werden als überlegene Motoneuronen bezeichnet und befinden sich in einem speziellen Gyrus beider Frontallappen, der als motorischer Gyrus (oder präzentraler Gyrus) bekannt ist. Diese überlegenen Motoneuronen senden Axone, die Impulse an die unteren Motoneuronen des Rückenmarks (für Nacken-, Rumpf- und Gliedmaßenbewegungen) und an die motorischen Kerne der Hirnnerven (für Gesichts-, Augen- und Mundbewegungen) weiterleiten.

Die Fasern kreuzen in bestimmten Bereichen dieser Axonwege auf die andere Seite. Ungefähr 2/3 der Fasern, die das Rückenmark nach unten verlaufen, kreuzen sich auf medullärer Ebene und bilden eine Struktur, die als pyramidale Dekussation bekannt ist. Das andere (1/3) der Fasern senkt sich auf der gleichen Seite wie ihre ursprüngliche Gehirnhemisphäre ab und kreuzt sich nur innerhalb des Rückenmarks auf der Ebene, auf der ihre zugehörige motorische Spinalwurzel austritt. Die Fasern, die die unteren Motoneuronen der Hirnnerven steuern, kreuzen kurz vor der Verbindung mit den Kernen dieser Nerven auf die andere Seite.

Die motorischen Fasern, die von den oberen Motoneuronen zu den unteren Motoneuronen des Rückenmarks absteigen, bilden die Pyramidenbahn. Verletzungen dieses Trakts, die beispielsweise durch Wirbelsäulenabschnitte oder durch zentrale oder spinale Tumoren verursacht werden, können zu Querschnittslähmung und Tetraplegie führen.

26. Was versteht man unter dem Reflexbogen?

In einigen Situationen hängt die Bewegung der quergestreiften Skelettmuskulatur nicht von Befehlen der übergeordneten Motoneuronen ab, was bedeutet, dass sie nicht durch Willenskraft ausgelöst wird.

Unwillkürliche Bewegungen dieser Muskeln können auftreten, wenn sensorische Fasern, die direkten oder indirekten Kontakt mit inferioren Motoneuronen herstellen, in Situationen, die auf eine Gefahr für den Körper hinweisen, unerwartet stimuliert werden. Dies geschieht zum Beispiel beim Patellarreflex oder Knie-Ruck-Reflex, wenn ein plötzlicher Schlag auf die Kniescheibe (Kniescheibe) eine unwillkürliche Kontraktion des Quadrizeps (des Streckmuskels des Oberschenkels) auslöst. Ein weiteres Beispiel für den Reflexbogen tritt auf, wenn jemand auf einen scharfen Gegenstand tritt: Ein Bein zieht sich zurück und das andere streckt sich durch den Reflexbogen, um das Gleichgewicht des Körpers zu halten.

27. Welche Arten von Neuronen nehmen am spinalen Reflexbogen teil? Wo befinden sich ihre Zellkörper?

In einem Reflexbogen sammelt zunächst ein sensorisches Neuron, das sich im Ganglion einer dorsalen Spinalwurzel befindet, die Reizinformationen aus dem Gewebe. Dieses sensorische Neuron stellt eine direkte oder indirekte (über Interneuronen) Verbindung mit den unteren Motoneuronen des Rückenmarks her. Diese Motoneuronen steuern dann die Reflexreaktion. Daher nehmen sensorische Neuronen, Interneurone und inferiore Motoneuronen am Reflexbogen teil.

28. Woraus besteht die graue und weiße Substanz des Rückenmarks?

Die graue Substanz des Rückenmarks enthält hauptsächlich Neuronenkörper (inferiore Motoneuronen, sekundäre sensorische Neuronen und Interneurone). Die weiße Substanz besteht hauptsächlich aus Axonen, die Neuronen des Gehirns mit spinalen Neuronen verbinden. 

29. Ist der neurale Impuls, der durch den Reiz erzeugt wird, der den Reflexbogen auslöst, auf die Neuronen dieses Schaltkreises beschränkt?

Die sensorische Faser, die zuerst den Reflexbogen auslöst, verbindet sich mit Neuronen des Reflexbogens sowie mit sekundären sensorischen Neuronen des Rückenmarks, die Informationen an andere Neuronen des Gehirns weiterleiten. Dies ist offensichtlich, da die Person, die den ersten Reiz erhalten hat (z. B. etwas gegen die Kniescheibe stößt), ihn wahrnimmt (was bedeutet, dass das Gehirn sich dessen bewusst wird).

30. Wie ist es möglich, dass eine Person mit einer zervikalen Durchtrennung des Rückenmarks noch in der Lage ist, den Patellarreflex auszuführen?

Der Reflexbogen hängt nur von der Integrität der Fasern auf einer einzelnen Wirbelsäulenebene ab. Im Reflexbogen erfolgt die motorische Reaktion auf den Reiz automatisch und unwillkürlich und hängt nicht von der Weitergabe von Informationen an das Gehirn ab. Daher passiert es auch, wenn das Rückenmark auf anderen Ebenen beschädigt ist.

31. Wie beeinflusst die Poliomyelitis die neurale Übertragung im Rückenmark?

Das Poliovirus parasitiert und zerstört spinale Motoneuronen, was die Lähmung der von diesen Neuronen abhängigen Muskeln verursacht. 

Somatische und autonome Nervensysteme

32. Wie können die Reaktionen des Nervensystems bezüglich des Willens klassifiziert werden?

Die Efferenzen (Reaktionen) des Nervensystems können eingeteilt werden in willkürlich, wenn sie das Ergebnis des Willens sind, und unwillkürlich, wenn sie nicht bewusst kontrolliert werden. Beispiele für Willensreaktionen sind Bewegungen der Gliedmaßen, der Zunge und der Atemmuskulatur. Beispiele für unwillkürliche Efferenzen sind solche, die peristaltische Bewegungen, den Herzschlag und die Arterienwandmuskulatur befehlen. Die quergestreiften Skelettmuskeln werden freiwillig kontrahiert, während die quergestreiften und glatten Herzmuskeln unwillkürlich kontrahiert werden. 

33. Was sind die Funktionsbereiche des Nervensystems?

Funktionell lässt sich das Nervensystem in das somatische und das viszerale Nervensystem unterteilen.

Das somatische Nervensystem umfasst die zentralen und peripheren Strukturen, die die willkürliche Kontrolle der Efferenzen bilden. Zentrale und periphere Strukturen, die an der Steuerung der vegetativen (unbewussten) Funktionen des Körpers beteiligt sind, werden in das Konzept des viszeralen Nervensystems einbezogen.

Der efferente Teil des viszeralen Nervensystems wird als autonomes Nervensystem bezeichnet.

34. Was sind die beiden Abteilungen des autonomen Nervensystems?

Das autonome Nervensystem wird in das sympathische Nervensystem und das parasympathische Nervensystem unterteilt.

Das sympathische Nervensystem umfasst die Nerven, die sich von den Ganglien der Nervenketten seitlich der Wirbelsäule (in der Nähe des Rückenmarks) erstrecken und daher von den Geweben, die sie innervieren, entfernt liegen. Die mit diesen Neuronen assoziierten zentralen und peripheren Neuronen sind auch ein Teil des sympathischen Nervensystems.

Das parasympathische Nervensystem besteht aus Nerven und zentralen oder peripheren Neuronen, die mit den viszeralen Ganglien verbunden sind, neuralen Ganglien, die sich in der Nähe der Gewebe befinden, die sie innervieren.

35. Was ist der Antagonismus zwischen sympathischen und parasympathischen neuralen Aktionen?

Im Allgemeinen sind die Aktionen des sympathischen und des parasympathischen Nervensystems antagonistisch, dh wenn das eine etwas stimuliert, hemmt es das andere und umgekehrt. Die Organe erhalten mit wenigen Ausnahmen Efferenzen von diesen beiden Systemen und der Antagonismus zwischen ihnen dient dazu, ihre Wirkungen auszugleichen. Zum Beispiel regt der Parasympathikus den Speichelfluss an, während der Sympathikus ihn hemmt, der Parasympathikus die Pupillen verengt, während der Sympathikus sie erweitert, der Parasympathikus die Bronchien zusammenzieht, während der Sympathikus sie entspannt und der Parasympathikus die Geschlechtsorgane erregt, während der Parasympathikus hemmt die Erregung.

Kephalisierung und die Evolution des Nervensystems

36. Wie kann der Prozess der evolutionären Cephalisation anhand von Beispielen des Nervensystems von Wirbellosen beschrieben werden?

Betrachtet man die Wirbellosen, so lässt sich beobachten, dass die Evolution die zunehmende Komplexität der Organismen mit der Konvergenz von Nervenzellen an speziellen Kontroll- und Befehlsstrukturen begleitet: den Ganglien und dem Gehirn. Bei einfachen Wirbellosen wie Nesseltieren sind die Nervenzellen nicht konzentriert, sondern im Körper verteilt. Bei Platyhelminthes ist bereits der Beginn der Cephalisation mit einem anterioren Ganglion konzentrierten Neuronen nachgewiesen.Bei Anneliden und Arthropoden ist die Existenz eines Hirnganglions offensichtlich. Bei Kopffüßern ist die Cephalisation noch größer und das Gehirn steuert das Nervensystem.

37. Was sind einige der Hauptunterschiede zwischen dem Nervensystem von Wirbeltieren und Wirbellosen?

Bei Wirbeltieren ist das Nervensystem gut definiert, mit einem Gehirn und einem dorsalen Neuralmark, die durch starre Skelettstrukturen geschützt sind. Bei den meisten Wirbellosen ist das Nervensystem überwiegend ganglial mit ventralen Neuralsträngen.

38. Welche Schutzstrukturen des zentralen Nervensystems gibt es bei Wirbeltieren?

Bei Wirbeltieren werden das Gehirn und das Rückenmark durch Membranen, die Hirnhäute und durch knöcherne Strukturen, den Schädel bzw. die Wirbelsäule, geschützt. Diese Schutzstrukturen sind von grundlegender Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Integrität dieser wichtigen Organe, die die Funktion des Körpers kontrollieren. 

Neurophysiologie

39. Wie sind die Reize, die von Neuronen empfangen und übertragen werden?

Neuronen empfangen und übertragen chemische Reize durch Neurotransmitter, die in den Synapsen freigesetzt werden. Die Impulsübertragung erfolgt jedoch elektrisch entlang des Neuronenkörpers. Daher leiten Neuronen elektrische und chemische Reize.

40. Welches sind die beiden Hauptionen, die an der elektrischen Impulsübertragung in Neuronen beteiligt sind?

Die beiden Hauptionen, die an der elektrischen Impulsübertragung in Neuronen beteiligt sind, sind das Natriumkation (Na⁺) und das Kaliumkation (K⁺). 

41. Ist die elektrische Ladung zwischen den beiden Seiten der Plasmamembran des Neurons positiv oder negativ? Welche Potentialdifferenz (Spannung) entsteht zwischen diesen beiden Seiten? Wie heißt diese Spannung?

Wie in den meisten Zellen hat der Bereich direkt außerhalb der Oberfläche der Neuronenplasmamembran eine positive elektrische Ladung im Vergleich zu dem Bereich direkt darin, ist also negativ.

Die normale (Ruhe-)Potentialdifferenz über die Neuronenmembran beträgt etwa –70 mV (Millivolt). Diese Spannung wird als Ruhepotential des Neurons bezeichnet.

42. Wie erhalten Natrium- und Kaliumionen das Ruhepotential von Neuronen?

Im Ruhezustand hält die Plasmamembran eines Neurons eine elektrische Potentialdifferenz zwischen seiner äußeren und inneren Oberfläche aufrecht. Diese Spannung wird Ruhepotential genannt. Ein Ruhepotential um –70 mV zeigt an, dass das Innere negativer ist als das Äußere (negative Polarisation). Dieser Zustand wird durch den Transport von Natrium- und Kaliumionen durch die Plasmamembran aufrechterhalten.

Die Membran ist für Kaliumionen durchlässig, aber nicht für Natriumionen. Im Ruhezustand verlassen die positiven Kaliumionen die Zelle zugunsten des Konzentrationsgradienten, da innerhalb der Zelle die Kaliumkonzentration höher ist als im Extrazellulärraum. Die positiven Natriumionen können jedoch nicht in die Zelle eindringen. Positive Kaliumionen verlassen die Zelle und nicht genügend kompensatorische positive Ionen dringen in die Zelle ein, wodurch der intrazelluläre Raum negativer wird und die Zelle polarisiert bleibt.

43. Wie wird die Depolarisation der neuronalen Plasmamembran verursacht? Wie kehrt die Zelle in ihren ursprünglichen Ruhezustand zurück?

Wenn das Neuron über die Bindung von Neurotransmittern an bestimmte Rezeptoren einen Reiz erhält, öffnen sich Natriumkanäle und die Permeabilität der Plasmamembran im postsynaptischen Bereich wird verändert. Natriumionen dringen dann in die Zelle ein und verursachen eine Abnahme (weniger negativ) in der Potentialdifferenz der Membran. Erreicht die Verringerung der Potentialdifferenz der Membran ein Niveau, das als Anregungsschwelle oder Schwellenpotential bezeichnet wird, um –50 mV, wird das Aktionspotential erzeugt, was bedeutet, dass die Depolarisation bis zum Erreichen ihres maximalen Niveaus intensiviert wird. Der Depolarisationsstrom wird dann entlang der verbleibenden Länge der neuronalen Membran übertragen.

Wird die Anregungsschwelle erreicht, öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle in der Membran, wodurch mehr Natriumionen zugunsten des Konzentrationsgradienten in die Zelle gelangen und eine positive Polarisation der Membran von ungefähr –35 mV erreicht wird. Die spannungsabhängigen Natriumkanäle schließen sich dann und weitere spannungsabhängige Kaliumkanäle öffnen sich. Kaliumionen verlassen dann die Zelle zugunsten des Konzentrationsgradienten und die Potentialdifferenz der Membran nimmt ab. Dieser Vorgang wird als Repolarisation bezeichnet.

Das Aktionspotential löst das gleiche elektrische Phänomen in benachbarten Regionen der Plasmamembran aus und der Impuls wird daher von den Dendriten auf die Endregion des Axons übertragen.

44. Was ist die Erregungsschwelle eines Neurons? Wie hängt diese Schwelle mit der „Alles-oder-Nichts“-Regel der neuronalen Übertragung zusammen?

Die Erregungsschwelle eines Neurons ist das Depolarisationsniveau, das durch einen Reiz verursacht werden muss, um als Nervenimpuls übertragen zu werden. Dieser Wert beträgt etwa –50 mV.

Die Übertragung eines Nervenimpulses entlang der neuronalen Membran gehorcht einer Alles-oder-Nichts-Regel: Entweder passiert sie mit maximaler Intensität oder es passiert nichts. Erst bei Erreichen der Anregungsschwelle setzt sich die Depolarisation fort, wodurch die Membran ihre maximal mögliche positive Polarisation, ca. +35 mV, erreicht. Wird die Anregungsschwelle nicht erreicht, passiert nichts.

45. Wie beginnt die Depolarisation der neuronalen Membran?

Die Hauptursache der neuronalen Depolarisation ist die Bindung von Neurotransmittern, die in der Synapse freigesetzt werden (durch das Axon des Neurons, das das Signal sendet) an spezifische Rezeptoren in der Membran des Neurons, das den Reiz empfängt. Die Bindung von Neurotransmittern an diese Rezeptoren ist ein reversibles Phänomen, das die Membranpermeabilität der Region verändert, da die Bindung die Öffnung von Natriumkanälen bewirkt. Wenn positive Natriumionen zugunsten ihres Konzentrationsgradienten in die Zelle eintreten, erhöht sich die Spannung der Membran, wodurch ihre negative Polarisation verringert wird. Erreicht diese Depolarisation die Erregungsschwelle (ca. –50 mV), setzt sich die Depolarisation fort, das Aktionspotential wird erreicht und der Impuls wird entlang der Zellmembran übertragen.

46. ​​Wie unterschiedlich sind die Konzepte von Aktionspotential, Ruhepotential und Erregungsschwelle in Bezug auf Neuronen?

Das Aktionspotential ist der maximale positive Spannungspegel, den das Neuron während des Prozesses der neuronalen Aktivierung erreicht, etwa + 35 mV. Das Aktionspotential löst die Depolarisation der benachbarten Regionen der Plasmamembran und damit die Impulsausbreitung entlang des Neurons aus.

Das Ruhepotential ist die Spannung der Membran, wenn die Zelle nicht erregt ist, etwa –70 mV.

Die Anregungsschwelle ist der Spannungspegel, etwa –50 mV, den die anfängliche Depolarisation erreichen muss, damit das Aktionspotential erreicht wird.

47. Wie wird die neuronale Repolarisation chemisch gesehen erreicht?

Repolarisation ist die Rückkehr des Membranpotentials vom Aktionspotential (+35 mV) zum Ruhepotential (-70 mV).

Wenn die Membran ihr Aktionspotential erreicht, schließen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle und öffnen sich spannungsgesteuerte Kaliumkanäle. Als Ergebnis hört Natrium auf, in die Zelle einzudringen und Kalium beginnt, sie zu verlassen. Daher ist die Repolarisation auf den Austritt von Kaliumkationen aus der Zelle zurückzuführen.

Die Repolarisation führt dazu, dass die Potentialdifferenz vorübergehend unter –70 mV unterhalb des Ruhepotentials ansteigt, was als Hyperpolarisation bekannt ist.

48. Durch welchen Mechanismus wird ein Nervenimpuls entlang des Axons übertragen?

Ein neuraler Impuls wird entlang der neuronalen Membran durch die Depolarisation aufeinanderfolgender benachbarter Regionen übertragen. Wenn ein Bereich auf der Innenfläche der Membran depolarisiert wird, wird er in Bezug auf den benachbarten Innenbereich positiver. Als Ergebnis bewegen sich positive elektrische Ladungen (Ionen) in Richtung dieses negativeren Bereichs und spannungsgesteuerte Natriumkanäle werden aktiviert und geöffnet. Das Aktionspotential bewegt sich dann linear entlang der Membran, bis es die präsynaptische Region des Axons erreicht.

49. Durch welche Struktur wird ein neuraler Impuls von einer Zelle zur anderen übertragen? Was sind seine Teile?

Die Struktur, durch die ein neuraler Impuls von einer Zelle zur anderen gelangt, ist die Synapse. Die Synapse besteht aus der präsynaptischen Membran im terminalen Teil des Axons der Transmitterzelle, dem synaptischen Spalt (oder synaptischen Raum) und der postsynaptischen Membran im Dendriten der Rezeptorzelle.

50. Wie findet die synaptische Übertragung zwischen Neuronen statt?

Die Ausbreitung des Aktionspotentials entlang des Axons erreicht den Bereich unmittelbar vor der präsynaptischen Membran, wodurch sich seine Permeabilität für Calciumionen ändert und diese Ionen in die Zelle eindringen. Im präsynaptischen Bereich des Axons befindet sich eine große Menge mit Neurotransmittern gefüllter Vesikel, die durch die durch den Calciumeinstrom aktivierte Exozytose die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freisetzen. Die Neurotransmitter binden dann an spezifische Rezeptoren der postsynaptischen Membran. (Die Bindung der Neurotransmitter an ihre Rezeptoren ist reversibel, d. h. die Neurotransmitter werden während des Prozesses nicht verbraucht.) Mit der Bindung der Neurotransmitter an die postsynaptischen Rezeptoren wird die Permeabilität der postsynaptischen Membran verändert und die Depolarisation, die zu das erste Aktionspotential der postsynaptischen Zelle beginnt.

51. Was sind einige wichtige Neurotransmitter?

Wichtige Neurotransmitter sind: Adrenalin (Epinephrin), Noradrenalin (Noradrenalin), Acetylcholin, Dopamin, Serotonin, Histamin, Gaba (Gamma-Aminobuttersäure), Glycin, Aspartat und Stickstoffmonoxid.

52. Da Neurotransmitter während des synaptischen Prozesses nicht verbraucht werden, welche Mechanismen werden verwendet, um ihre Konzentration im synaptischen Spalt nach ihrer Verwendung zu reduzieren?

Da die Bindung von Neurotransmittern an postsynaptische Rezeptoren reversibel ist, müssen diese Neurochemikalien, nachdem sie ihre Funktion erfüllt haben, aus dem synaptischen Spalt eliminiert werden. Neurotransmitter binden dann an spezifische Proteine, die sie in einem Prozess namens Neurotransmitter-Wiederaufnahme zurück zu dem Axon transportieren, von dem sie stammen. Sie können auch durch bestimmte Enzyme zerstört werden, wie z. B. Acetylcholinesterase, ein Enzym, das Acetylcholin zerstört. Außerdem können sie einfach aus dem synaptischen Spalt diffundieren.

53. Fluoxetin ist ein Antidepressivum, das einen Wirkmechanismus verwendet, der mit der synaptischen Übertragung verbunden ist. Was ist das für ein Mechanismus?

Fluoxetin ist eine Substanz, die die  Wiederaufnahme von Serotonin hemmt, einem  Neurotransmitter, der hauptsächlich im zentralen Nervensystem wirkt. Durch die Hemmung der  Wiederaufnahmeꃞs Neurotransmitters erhöht das Medikament seine Verfügbarkeit im synaptischen Spalt und verbessert so die neuronale Übertragung.

54. Was ist die neuromuskuläre Synapse?

Die neuromuskuläre Synapse ist die Struktur, durch die ein Nervenimpuls vom Axon eines Motoneurons zu einer Muskelzelle gelangt. Diese Struktur wird auch als neuromuskuläre Verbindung oder motorische Endplatte bezeichnet.

Wie bei der Nervensynapse setzt die axonale Endmembran den Neurotransmitter Acetylcholin in den Spalt zwischen den beiden Zellen frei. Acetylcholin bindet an spezifische Rezeptoren der Muskelmembran, dann öffnen sich abhängige Natriumkanäle und die Depolarisation der Muskelmembran beginnt. Der Impuls wird dann an das sarkoplasmatische Retikulum weitergeleitet, das Calciumionen in die Sarkomere der Myofibrillen freisetzt und so die Kontraktion auslöst.

Sinnesrezeptoren

55. Wie erhält das Nervensystem Informationen über die äußere Umgebung, Organe und Gewebe?

Informationen über die Bedingungen der äußeren und inneren Umgebung, wie Temperatur, Druck, Berührung, räumliche Position, pH-Wert, Metabolitenspiegel (Sauerstoff, Kohlendioxid usw.), Licht, Geräusche usw. werden durch spezifische neuronale Strukturen (verschiedene Typen für jede Art von Information), die als sensorische Rezeptoren bezeichnet werden. Sensorische Rezeptoren sind entsprechend ihrer spezifischen Funktionen im gesamten Gewebe verteilt. Die Rezeptoren erhalten Informationen und übermitteln sie über ihre eigenen Axone oder über Dendriten von Neuronen, die mit ihnen verbunden sind. Die Informationen erreichen das zentrale Nervensystem, das sie interpretiert und zur Steuerung und Regulierung des Körpers verwendet.

56. Was sind Sinnesrezeptoren?

Sensorische Rezeptoren sind Strukturen, die auf die Erfassung von Informationen wie Temperatur, mechanischer Druck, pH-Wert, chemische Umgebung und Helligkeit spezialisiert sind und diese an das zentrale Nervensystem weiterleiten. Sensorische Rezeptoren können spezialisierte Zellen sein, wie die Photorezeptoren der Netzhaut, oder spezialisierte interstitielle Strukturen, wie die Vibrationsrezeptoren der Haut. In letzterem Fall übermitteln sie Informationen an die Dendriten der mit ihnen verbundenen sensorischen Neuronen. Es gibt auch sensorische Rezeptoren, die spezialisierte Terminationen neuronaler Dendriten sind (wie olfaktorische Rezeptoren).

57. Wie werden sensorische Rezeptoren nach den erhaltenen Reizen klassifiziert?

Sensorische Rezeptoren werden nach den Reizen klassifiziert, die sie erhalten: Mechanorezeptoren werden durch Druck (Berührung oder Geräusche) stimuliert Chemorezeptoren reagieren auf chemische Reize (Geruch, Geschmack, pH-Wert, Metabolitenkonzentration usw.) Thermorezeptoren reagieren empfindlich auf Temperaturänderungen Photorezeptoren werden durch Licht stimuliert Nozirezeptoren senden Schmerzinformationen und Propriozeptoren sind sensibel für die räumliche Position von Muskeln und Gelenken (sie generieren Informationen für das Gleichgewicht des Körpers).

Nachdem Sie das Studium des Nervensystems abgeschlossen haben, haben Sie folgende Möglichkeiten:


Hintergrund

Der Zweck dieser Arbeit besteht darin, die potenzielle Rolle des vom Endosom abgeleiteten Vesikels, das als sekretorisches Exosom bekannt ist, als Mittel zur interzellulären Signalübertragung von Proteinen und RNAs im Nervensystem zu diskutieren. Das Exosom ist eine relativ gut charakterisierte Einheit, die diskrete Mechanismen der Bildung und Sekretion aufweist, von verschiedenen Zelltypen sezerniert wird, durch physiologische Bedingungen reguliert wird und an der interzellulären Übertragung spezifischer Signalproteine ​​beteiligt ist. Jüngste Studien haben berichtet, dass sekretorische Exosomen (und Mikrovesikel, die von Zellen abgestoßen werden) auch eine Untergruppe von zellulären mRNAs und microRNAs enthalten, die in Empfängerzellen transferiert und darin translatiert werden können.

1. Sekretorische Exosomen als Hauptweg der Zell-Zell-Kommunikation

Zunächst einige Begrifflichkeiten: Sekretorische Exosomen sind Vesikel, die über einen spezifischen intrazellulären Weg gebildet werden, an dem multivesikuläre Körper oder endosomal verwandte Regionen der Plasmamembran beteiligt sind [1, 2] (siehe Abb. 1). Sie haben eine diskrete Größe (in der Regel 30–90 nm in verschiedenen Zelltypen), eine charakteristische Auftriebsdichte (

1,1–1,2 g/ml) und Lipidzusammensetzung (ähnlich wie Membranlipid-Rafts sind sie reich an Cholesterin, Sphingomyelin und Gangliosid GM3, das Resistenz gegenüber Triton-Detergens und Sensibilität gegenüber Saponin verleiht). Exosomen exprimieren bestimmte Markerproteine ​​(z. B. Alix und Tsg101, die an der endosomal-lysosomalen Sortierung beteiligt sind), aber es fehlen Marker für Lysosomen, Mitochondrien oder Caveolae. Um den klassischen Weg, der Exosomen bildet, zusammenzufassen, haben van Niel et al. genannt:

Biogenese von Exosomen. A: An der Grenzmembran von MVBs wirken mehrere Mechanismen gemeinsam, um eine spezifische Sortierung von Transmembran-, Chaperon-, Membran-assoziierten und zytosolischen Proteinen auf den sich bildenden ILVs zu ermöglichen. B: Das Vorhandensein mehrerer Sortiermechanismen kann Heterogenität in der Population von ILVs in einzelnen MVBs induzieren, indem sie getrennt auf verschiedene Domänen der Grenzmembran einwirken. C: Durch die Aufnahme von Lipiden und Proteinen aus dem Endozytose- und Biosyntheseweg können verschiedene Subpopulationen von MVBs erzeugt werden, deren Zusammensetzung ihnen ein unterschiedliches Schicksal verleiht: (1) Rückfusion der ILVs mit der Grenzmembran. Während dieses Prozesses werden zuvor auf den ILVs sequestrierte Moleküle zur limitierenden Membran und zum Zytosol rezykliert. Eine Veränderung der Zusammensetzung der limitierenden Membran kann für die Tubulation verantwortlich sein, die die Expression von endosomalen Proteinen in der Plasmamembran ermöglicht. (2) Ein unbekannter Mechanismus kann MVBs zur Plasmamembran führen, wo Proteine ​​wie SNAREs und Synaptogamine ihre Fusion und die daraus folgende Freisetzung der ILVs in das extrazelluläre Medium als Exosomen ermöglichen würden. (3) In ähnlicher Weise würde die Zusammensetzung der limitierenden Membran vorzugsweise die Fusion von MVBs mit Lysosomen induzieren, was zum Abbau der auf ILVs sortierten Moleküle führt. Reproduziert aus Ref.-Nr. 1 mit Genehmigung von Oxford University Press.

"Multivesikuläre Körper (MVBs) und ihre intraluminalen Vesikel (ILVs) sind an der Sequestrierung von Proteinen beteiligt, die für den Abbau in Lysosomen bestimmt sind. Ein alternatives Schicksal von MVBs ist ihre exozytische Fusion mit der Plasmamembran, die zur Freisetzung des 50-90 nm ILVs in das extrazelluläre Milieu. Die sezernierten ILVs werden dann Exosomen genannt." [1].

Exosomen exprimieren auch spezifische Zelloberflächenproteine, einschließlich Integrine und Zelladhäsionsmoleküle, sodass sie die Möglichkeit haben, selektiv an bestimmte Empfängerzelltypen zu binden und von diesen aufgenommen zu werden [1-3].

Als solche können sekretorische Exosomen von Zelltrümmern, die von toten oder sterbenden Zellen freigesetzt werden, und von Mikrovesikeln unterschieden werden, die größer (bis zu 1 Mikrometer), dichter sind und durch Abschnüren von der Plasmamembran entstehen Mikrovesikel können Mitochondrien, Lysosomen enthalten und sogar DNA. Beachten Sie, dass einige Autoren den Begriff "Mikrovesikel" generisch verwenden, um sekretorische Exosomen und sogar verschiedene intrazelluläre Vesikel, die synaptischen Vesikeln ähneln, einzuschließen. Umgekehrt wird der Begriff "Exosom" auch von Molekularbiologen in einem völlig anderen Zusammenhang verwendet, um sich auf intrazelluläre RNA-Abbaukomplexe zu beziehen. In dieser Übersicht bezieht sich der Begriff "Exosom" auf sekretorische Exosomen.

Kürzlich haben Valadi et al. [3] berichteten, dass sekretorische Exosomen aus Mastzellen freigesetzt werden in vitro enthalten nicht nur einen charakteristischen Satz von Proteinen, sondern auch eine Population von mRNAs und microRNAs. Die RNAs schienen insofern unterteilt zu sein, als ihre relative Häufigkeit innerhalb der Exosomen signifikant vom Gesamtprofil der in den Zellen exprimierten RNAs abwich [3]. Tatsächlich waren bestimmte RNAs innerhalb der Exosomen stark angereichert, was darauf hindeutet, dass sie speziell in dieses Kompartiment einsortiert wurden. Sie behaupteten auch, dass "nach dem Transfer von exosomaler Maus-RNA auf menschliche Mastzellen neue Mausproteine ​​in den Empfängerzellen gefunden wurden, was darauf hindeutet, dass übertragene exosomale mRNA nach dem Eintritt in eine andere Zelle translatiert werden kann." [3].

Sekretorische Exosomen sind attraktive Vehikel für den interzellulären RNA-Transfer, da sie eine geschützte Umgebung bieten sollten, die ihre Stabilität trotz der Anwesenheit extrazellulärer RNAsen gewährleistet. Jedoch weisen die Valadi et al. Papier [3] ist nicht frei von potentieller Kritik. Obwohl die meisten der in ihren Exosomen beschriebenen Proteine ​​beispielsweise mit anderen Berichten übereinstimmten [4-10], waren ihre exosomalen Präps insofern atypisch, als sie viele ribosomale Proteine ​​enthielten. Dies ist umso rätselhafter, als sie in ihrem Präparat keine ribosomalen RNA 18S- und 28S-Banden durch Gelelektrophorese nachweisen konnten (obwohl dies möglicherweise durch einen teilweisen RNA-Abbau verursacht wurde). Obwohl sie zeigten, dass RNAs mit für Exosomen charakteristischen Fraktionen geringer Dichte (1,1–1,2 g/ml) kolokalisiert wurden, verwendete ihre Herstellung keine Dichtegradienten als Teil der anfänglichen Reinigung, sondern enthielt auch Material, das bei höheren Dichten lief, also ein Teil der RNAs könnte aus einer gemischten Population von Mikrovesikeln oder anderen Partikeln stammen.

Die Ergebnisse von Valadi et al. müssen bestätigt und erweitert werden. bevor sie allgemein akzeptiert werden können. Ihr Bericht stimmt jedoch mit Beobachtungen überein, dass spezialisierte endozytische Signalwege an der intrazellulären Bewegung von RNAs während der systemischen RNA-Stummschaltung beteiligt sind C. elegans und Drosophila [11-15].Außerdem haben andere Forscher unabhängig voneinander berichtet, dass Mikrovesikel, die von verschiedenen Zelltypen ausgeschieden werden, auch den mRNA-Transfer vermitteln können. Ratajczak et al. untersuchten Mikrovesikel, die "mit Exosomen angereichert" waren, wurde die übertragene mRNA in Empfängerzellen translatiert [16, 17]. Baj-Krzyworzekaet al. untersuchten von Tumorzellen ausgeschiedene Mikrovesikel, die anscheinend nicht in Exosomen angereichert waren, diese enthielten sowohl Proteine ​​als auch mRNA und wurden in Empfängerzellen internalisiert und hatten überlebensfördernde Wirkungen auf Empfängerzellen [18]. Deregibuset al. isolierten Mikrovesikel aus endothelialen Vorläuferzellen und zeigten, dass sie in vitro Wirkungen (Förderung des Zellüberlebens und Bildung von kapillarähnlichen Strukturen) hatten, die durch Inkubation mit RNAse zerstört wurden. Die Mikrovesikel enthielten mRNA, und der mRNA-Transfer wurde mit GFP-markierter mRNA verifiziert [19]. Schließlich haben Tran et al. [20] induzierte die Expression langer komplementärer RNAs mit dem Potenzial zur Bildung von dsRNA in kultivierten Zellen und stellte fest, dass der beobachtete Gen-Silencing-Effekt über konditioniertes Medium auf Empfängerkontrollzellen übertragbar war. Sie identifizierten jedoch weder die RNA-Spezies, die für diesen Effekt verantwortlich sind, noch den Mechanismus, durch den Zellen die RNAs freigesetzt hätten.

Obwohl sekretorische Exosomen im Mittelpunkt dieses Übersichtsartikels stehen, sollte darauf hingewiesen werden, dass möglicherweise auch andere zelluläre Mechanismen die interzelluläre RNA-Signalübertragung in Säugersystemen erleichtern können. Tunnelnanoröhren können beispielsweise zytoplasmatische Brücken zwischen Zellen bilden, zumindest in vitro [21]. Die Seite-1 Genprodukt entdeckt in C. elegans ist eine dsRNA-durchlässige Pore, die für das systemische Silencing von RNAs in Wirbellosen notwendig ist [13, 22] und ihr Säugerhomolog hat sich in Säugerzellen als funktionell erwiesen in vitro [23, 24]. Einige Gap Junctions können kleinen Oligonukleotiden den Durchgang ermöglichen, einschließlich siRNAs [25, 26]. Schließlich wurde vorgeschlagen, dass RNAs trotz ihrer Anfälligkeit für den Abbau durch extrazelluläre RNAsen in extrazelluläre Räume sezerniert werden können [27] tatsächlich scheinen extrazelluläre RNAsen eine regulatorische Rolle in der Zellphysiologie zu spielen, was ein Hinweis darauf sein könnte, dass die sezernierten RNAs Form der Zell-Zell-Kommunikation [27]. Dies stimmt auch mit der Beobachtung überein, dass der auf Zelloberflächen exprimierte Toll-like-Rezeptor 3 von einer Vielzahl von RNAs, einschließlich dsRNAs, mRNAs und siRNAs, gebunden und aktiviert wird [28]. Ein sezerniertes virales Botenprotein, VP22, das während der HSV-Infektion von Säugerzellen produziert wird, bindet mRNAs und überträgt sie auf Empfängerzellen, wo sie translatiert werden [29].

2. Biologische Merkmale von Exosomen

Die früheste Rolle, die für sekretorische Exosomen vorgeschlagen wurde, bestand darin, unerwünschte Proteine ​​aus Zellen auszuscheiden, die eine terminale Differenzierung durchlaufen [30]. Obwohl diese Perspektive in bestimmten Situationen innerhalb des Nervensystems zutreffen mag (siehe unten), ähnelt die Proteinzusammensetzung von Exosomen nicht einer Müllhalde, sondern eher einer positiven Rolle bei der Kommunikation mit anderen Zellen [4–10]. Exosomen exprimieren auf ihren Oberflächen spezifische Integrine, Tetraspanine, MHC-Klasse-I- und/oder Klasse-II-Antigene, CD-Antigene und Zelladhäsionsmoleküle, was ihre Aufnahme durch bestimmte Zelltypen erleichtern kann. Exosomen enthalten eine Vielzahl von Zytoskelettproteinen, GTPasen, Clathrin, Chaperonen und Stoffwechselenzymen (aber mitochondriale, lysosomale und ER-Proteine ​​sind ausgeschlossen, sodass das Gesamtprofil nicht dem Zytoplasma ähnelt). Sie enthalten auch mRNA-Splicing- und Translationsfaktoren. Schließlich enthalten Exosomen im Allgemeinen mehrere Proteine ​​wie HSP70, HSP90 und Annexine, von denen bekannt ist, dass sie Signalfunktionen spielen, die jedoch nicht durch klassische (ER-Golgi) Mechanismen sezerniert werden.

Exosomen können nicht nur aus der Fusion multivesikulärer Körper mit der Plasmamembran entstehen (ein „verzögerter Modus“), sondern auch direkt durch Knospung aus endozytoseähnlichen cholesterinreichen Domänen (Lipid-Rafts) der Plasmamembran (ein „unmittelbarer Modus“) [ 31, 32]. Beachten Sie, dass Membranlipid-Rafts nicht gleichbedeutend mit Caveolae sind, da es zahlreiche Beispiele für Plasmamembrandomänen [33] sowie endozytische Vesikel gibt, die cholesterinreich sind, eine geringe Dichte aufweisen und dennoch Caveolin und andere Caveolarmarker fehlen. Es ist jedoch nicht klar, ob alle leichten endozytischen Vesikel in eine Familie fallen: So können beispielsweise "Enlargeosomen", intrazelluläre cholesterinreiche sekretorische Vesikel, die die Oberfläche bestimmter Zelltypen erweitern, mit Markern markiert werden, die von der Endozytose aufgenommen werden, aber weder offensichtlich mit dem Endosom-Lysosom-Weg verwandt, noch scheinen sie von MVBs abzustammen [34].

Die Sortierung von Proteinen in Exosomen scheint selektiv zu sein, obwohl kein einheitliches Regelwerk gilt [35, 36]. Mono-Ubiquitinierung scheint ein Tag für bestimmte Transmembranproteine ​​zu sein, die über ESCRT-I-, II- und III-Proteine ​​in den endosomal-lysosomalen Weg einsortiert werden [35, 36]. Darüber hinaus enthalten Exosomen cholesterinreiche Membranrafts, mit denen einige Proteine ​​selektiv assoziiert sind. Kürzlich haben Fang et al. schlugen vor, dass Proteine, die eine Oligomerisierung höherer Ordnung (d. h. Oligomerisierung von Oligomeren) aufweisen und die auch mit der Plasmamembran assoziieren, bevorzugt in Exosomen sortiert werden [32].

Proteine, die Signalpeptide enthalten, werden im Allgemeinen über den ER-Golgi-Weg sezerniert, und nur wenige solcher Proteine ​​wurden in Exosomen nachgewiesen. Im Gegensatz dazu scheint es eine interessante Beziehung zwischen Exosomen und der heterogenen Klasse von Proteinen zu geben, denen Signalpeptide fehlen. Es wurde vorgeschlagen, dass diese sogenannten nichtklassisch sekretierten Proteine ​​über einen oder mehrere der folgenden 5 Wege sezerniert werden [37, 38]:

1. sekretorische Lysosomen, assoziiert mit späten endosomal-lysosomalen Markern, gehemmt durch Chloroquin

3. Plasmamembran-Mikrovesikel

4. Plasmamembrantransporter (Pumpen oder Poren)

5. direkte Translokation durch Membranen der sogenannten Botenproteine ​​[38], einschließlich tat, VP22 und anderer viraler Proteine, sowie zahlreicher Homöodomäne-Proteine, die alle kurze, stark argininreiche Domänen enthalten, die den Lipidanteil der Plasmamembran [39].

Interessanterweise können dieselben oder eng verwandte Proteine ​​in unterschiedlichen Situationen mehr als einen dieser Wege nutzen. Zum Beispiel scheint Hühner-CNTF über endozytische Vesikel sezerniert zu werden, die sekretorischen Exosomen ähnlich, wenn nicht sogar identisch sind, während Ratten-CNTF dies nicht ist (da ihm eine interne hydrophobe Domäne fehlt, die in Hühnern vorhanden ist) [40]. Während HSP70 in einigen Fällen über einen lysosomalen Weg sezerniert wird [41], wird es in anderen über Exosomen sekretiert [42–44]. Es gab eine prominente Kontroverse darüber, wie tat und andere Botenproteine ​​durch Membranen transloziert werden – zum Beispiel kann das gleiche Protein je nach Art seiner verknüpften Fracht entweder durch direkte Translokation oder durch Endozytose von einer Zelle aufgenommen werden [45, 46 ]. Im aktuellen Kontext ist es erwähnenswert, dass eine Vielzahl nichtklassischer Proteine ​​wie bFGF [47], das Botenprotein Engrailed-2 [48] und die Galectine 1 und 3, von denen berichtet wurde, dass sie durch direkte Translokation über Membranen, scheinen unter bestimmten Bedingungen auch über intrazelluläre cholesterinreiche Vesikel oder identifizierte Exosomen sezerniert zu werden. Obwohl allgemein angenommen wird, dass die Ektodomänen-Abspaltung von Zelladhäsionsmolekülen über proteolytische Spaltungsereignisse erfolgt, die an der Zelloberfläche lokalisiert sind, scheint die Spaltung in einigen Fällen innerhalb von Exosomen zu erfolgen [49].

Die Freisetzung von Exosomen ist ein regulierter Prozess. Beispielsweise kann die exosomale Sekretion durch Stressbedingungen verstärkt werden, die eine p53-Antwort auslösen [50]. In mehreren Zelltypen, einschließlich kultivierter kortikaler Neuronen [51], wird die Exosomensekretion durch Stimuli stimuliert, die intrazelluläres Kalzium erhöhen. Die Sekretion von Exosomen-ähnlichen Mikrovesikeln aus Adipozyten wird durch Hormone, Redox und Nährstoffe reguliert [52]. Der Gehalt einiger einzelner Proteine ​​kann auch unabhängig reguliert werden, beispielsweise induziert IFN-gamma die Expression von HSP70, das über Exosomen sezerniert wird, beeinflusst jedoch nicht die Geschwindigkeit, mit der Exosomen per se sezerniert werden [44].

3. Physiologische und pathologische Bereiche in vivo die MVBs oder Exosomen beinhalten

Wie van Niel et al. betonten, "sind Exosomen im Kulturüberstand mehrerer Zelltypen hämatopoetischen Ursprungs [B-Zellen, dendritische Zellen, Mastzellen, T-Zellen und Blutplättchen] und nicht hämatopoetischen Ursprungs [Darmepithelzellen, Tumore Zellen, Schwann-Zellen und neuronale Zellen].“ [1] ihre Liste könnte auch Retikulozyten, Astrozyten usw. enthalten haben. Obwohl ein Teil der zirkulierenden RNA in Blut, Urin und Körperflüssigkeiten aus sterbenden Zellen [53] und Mikrovesikeln stammen kann, stammt zumindest ein erheblicher Teil von Exosomen [54 ], was bedeutet, dass Exosomen sezerniert werden in vivo, und dass man biomedizinische Erkenntnisse gewinnen kann, indem man Exosomen aus diesen Quellen isoliert.

Vor einigen Jahren wurden "Argosomen" als Vesikel identifiziert, die morphogenetische Signale zwischen Zellen in sich entwickelnden Epithelien übertragen. Es wurde gezeigt, dass diese aus endozytischen Membranen hervorgehen, die lipidreiche Rafts enthalten, die stark an Exosomen erinnern (und möglicherweise mit diesen identisch sind [55].

Nicht zuletzt scheint die Verpackung von HIV-1 und anderen Retroviren in membranumhüllte Virionen denselben zellulären Prozess zu verwenden, der normalerweise multivesikuläre Körper bildet [56]. Diese Hypothese vom "Trojanischen Exosom" [57] wurde breit diskutiert und diskutiert [58] und hat in letzter Zeit zusätzliche Unterstützung erhalten [31, 32].

4. Exosomale Signalübertragung im Zentralnervensystem

Faureet al. haben gezeigt, dass kortikale Neuronen von Ratten und Mäusen Exosomen in Kultur sezernieren, die die typischen Merkmale (Größe, Dichte und Saponin-Empfindlichkeit) aufweisen, die in anderen Zelltypen zu sehen sind [51]. Mit proteomischen Methoden fanden sie heraus, dass neuronale Exosomen denen von nicht-neuronalen Zelltypen, z.B. exprimiert Alix, Tsg101, Tubulin, 14-3-3 Proteine, Annexine, Clathrin schwere Kette, HSC70, GAPDH usw. [3-10]. Außerdem enthielten die Exosomen neuronenspezifische Komponenten. Beispielsweise wurde die AMPA-Rezeptor-Untereinheit GluR2/3 in gereinigten neuronalen Exosomen nachgewiesen, aber im Gegensatz dazu wurden die NMDA-Rezeptor-Untereinheit NR1 und PSD-95 (die hauptsächlich in der PSD-Fraktion reifer Synapsen gefunden werden) in vivo) waren nicht nachweisbar [51]. Das neuronale spezifische Zelladhäsionsmolekül L1 wurde ebenso wie zelluläres Prionprotein nachgewiesen. Die Sekretion von Exosomen (gemessen durch den Gehalt an Alix, Tsg101 und GluR2/3) wurde deutlich durch die K + -Depolarisation stimuliert, die den intrazellulären Calciumspiegel erhöht.

Es wurde auch gezeigt, dass Exosomen von kultivierten Astrozyten sezerniert werden [43, 59], da sie HSP70 tragen, das neuroprotektive Wirkungen auf Neuronen hat, Exosomen können zur gliale-neuronalen Kommunikation beitragen [43, 59].

Multivesikuläre Körper spielen eine allgemein anerkannte Rolle bei der Weiterleitung von Proteinen für den lysosomalen Abbau, und die Fusion von MVBs mit der Plasmamembran ist eines der Hauptmittel, mit denen Exosomen aus Zellen sezerniert werden. In Neuronen wurde jedoch eine dritte Rolle für MVBs identifiziert [60, 61]: Nämlich trk-abhängige Neurotrophine, die von präsynaptischen Enden aufgenommen werden, bleiben während ihres retrograden Transports von Synapsen stabil in MVBs und werden dann intrazellulär in die Zytoplasma bei der Ankunft im Zellkörper. Dieser Prozess kann als die Umkehrung der MVB-vermittelten Exosomensekretion konzeptualisiert werden, da Neurotrophine von benachbarten Zellen aufgenommen werden, platziert hinein MVBs und schließlich in das Zytoplasma freigesetzt [60, 61]. In beiden Szenarien nehmen MVBs jedoch an einem einheitlichen System der Zell-zu-Zell-Signalgebung teil.

Schließlich sind MVBs an der Pathogenese einer Reihe von neurodegenerativen Erkrankungen beteiligt. Prionen werden beispielsweise über Exosomen in einer Vielzahl von Zelltypen sezerniert und können ein Hauptmechanismus ihrer Ausbreitung im Gehirn sein [62]. Das Beta-Amyloid-Peptid der Alzheimer-Krankheit akkumuliert in MVBs und stört die normale Funktion von MVBs zum Abbau von Proteinen, die eine Rolle bei der Pathogenese der AD spielen können [63]. Beta-Amyloid-Peptid wird teilweise über Exosomen sezerniert [64]. Mutationen in der endosomalen ESCRTIII-Komplex-Untereinheit CHMP2B, die MVBs und den lysosomalen Abbau beeinflussen, führen zu einer frontotemporalen Demenz [65].

5. Ein Modell der transsynaptischen exosomalen Signalübertragung im Vorderhirn von erwachsenen Säugetieren

Die bisher überprüften Beweise deuten darauf hin, dass sekretorische Exosomen einen weit verbreiteten Kommunikationsmodus vermitteln, der von vielen Zelltypen, einschließlich Neuronen und Astrozyten, genutzt wird. Obwohl sich die meisten Exosomenstudien bis heute mit Blutzellen, Zellen, die an Krebs und Immunfunktionen beteiligt sind, oder mit Viren infizierten Zellen befassten, vermute ich, dass die exosomale Signalübertragung im Nervensystem ebenso wichtig sein könnte. Exosomale Signalübertragung kann potenziell über eine Vielzahl von Spezies hinweg und während der Entwicklung sowie im reifen Gehirn funktionieren. Es ist nicht bekannt, ob die Sekretion und Aufnahme neuronaler Exosomen im Allgemeinen unabhängig von synaptischen Übertragungsorten sind Exosomen mit Synapsen. In einem besonderen Fall – dem von exzitatorischen Synapsen im Vorderhirn eines erwachsenen Säugetiers – der Beweis für eine exosomale Signalübertragung in vivo ist besonders stark, und die biologische Bedeutung als Mechanismus der retrograden Signalübertragung an Synapsen ist besonders offensichtlich.

Eine große Anzahl unterschiedlicher Beobachtungen spricht nämlich für die Hypothese, dass:

Exosomen bilden sich an der postsynaptischen Membran erregender Synapsen, angrenzend an die postsynaptische Dichte, und

einen spezifischen Satz synaptischer Proteine, mRNAs und microRNAs auf das präsynaptische Terminal übertragen.

Diese Ladungen wirken entweder lokal innerhalb des präsynaptischen Terminals oder werden zurück zu präsynaptischen neuronalen Zellkörpern transportiert.

Der exosomale Transfer wird stark durch Stimuli stimuliert, die LTP und andere lang anhaltende Veränderungen im Zusammenhang mit Lernen und Gedächtnis hervorrufen.

In diesem Szenario sollte der exosomale Transport von Ladungen eines der Mittel darstellen, mit denen retrograde Signalübertragung zur synaptischen Plastizität und zur trophischen Aufrechterhaltung neuronaler Schaltkreise beiträgt. In den folgenden Abschnitten werden die Beweise für diese Hypothese im Detail überprüft.

5a. Die postsynaptische Membran exprimiert endozytäre Lipid-Raft-Domänen und die dendritische Wirbelsäule enthält endosomale Sortierstrukturen

Synapsen beherbergen endozytäre Lipid-Raft-Domänen der Plasmamembran, die lateral der postsynaptischen Dichte liegen [66, 67]. Diese dendritischen Lipid-Rafts sind bekanntermaßen Plattformen für die Signaltransduktion, die durch mehrere Klassen neurotropher Faktoren initiiert werden [66] und sind Orte des vesikulären Transports von AMPA-Rezeptoren [68] und neuer Membranexpansion [69] über Recycling-Endosomen. Auch innerhalb dendritischer Dornen wurde eine Vielzahl von endozytären Strukturen beschrieben, darunter klar identifizierbare multivesikuläre Körper sowie andere tubuläre Kompartimente und kleine Vesikel, die als potenzielle Exosomen identifiziert wurden [70, 71]. Während Recycling-Endosomen selbst keine Quellen exosomaler Sekretion sind, gibt es Hinweise darauf, dass GluR2 als Reaktion auf NMDA-Stimulation in späte Endosomen/Lysosomen umgeleitet werden kann [72], was auf die Existenz einer Sortierstation ähnlich der in multivesikuläre Körper. Somit existieren sowohl auf der postsynaptischen Membran als auch innerhalb der dendritischen Wirbelsäule membranöse Strukturen, die potenziell Exosomen bilden können.

5b. Synaptische Spinula scheinen Exosomen zu repräsentieren, die direkt in das präsynaptische Terminal knospen

Synaptische Spinula sind Ausstülpungen der postsynaptischen Membran, die an Stellen neben postsynaptischen Dichten entstehen, die sich in das präsynaptische Axon erstrecken. und die von letzteren in clathrinbeschichtete Grübchen und Tubuli eingeschlossen zu sein scheinen [73–76] (siehe Abb. 2, 3). Seltener entstehen Spinula aus Axonen und Wachstumskegeln und können sich auch in perisynaptische Gliazellen ausdehnen. Spinules sind nach Auslösen von LTP [74–77] und in großen Pilzstacheln [76] auffälliger, was auf eine positive Korrelation zwischen LTP, Dornwachstum, Proteinsynthese im Dornkopf und Transendozytose in das präsynaptische Terminal hindeutet [76, 78] . Forscher haben wiederholt vorgeschlagen, dass Spinula einen Mechanismus für den retrograden Transfer von zytoplasmatischem und Membranmaterial darstellen können [73, 76, 79]. Der Wirbelsäulenapparat (eine spezialisierte membranartige Struktur, die dem ER ähnelt), multivesikuläre Körper und Ribosomen werden oft in der Nähe von Spinula gefunden [73, 74] und Tarrant und Routteberg [73, 74] haben berichtet, dass "ribosomal-ähnliches" Material innerhalb von Spinula beobachtet werden kann Zytoplasma, obwohl nicht berichtet wurde, dass sie Mitochondrien oder andere Organellen enthalten. Aufgrund ihrer Lage, Größe und aktivitätsabhängigen Regulation ist es wahrscheinlich, dass synaptische Spinula das morphologische Korrelat von knospenden Exosomen sind, die ihre Ladungen an erregenden Synapsen übertragen.

Spinule auf dendritischen Stacheln von Pilzen. ein, Schliffbild durch das Zentrum einer Spinula (türkis), die aus einer Perforation (Pfeilspitze) in der postsynaptischen Dichte in das präsynaptische Axon austritt. B, Rekonstruktion der Wirbelsäule abgebildet in ein mit der Spinule in Türkis und der PSD-Oberfläche in Rot. CD, Serielle Schnitte durch das präsynaptische Axon (pre grün) und eine Spinula (Pfeilspitze türkis), die aus dem Rand eines Pilzkopfes in das präsynaptische Axon austritt und eine weitere Spinula, die ebenfalls aus dem Rand der Dornspitze austritt (Pfeilspitze lavendel), aber einstülpend a benachbartes Axon (n). e, Hohe Vergrößerung des Serienschnitts darüber hinaus D zeigt eine Beschichtung entlang der zytoplasmatischen Oberfläche der Spinula auf der Seite des invaginierten präsynaptischen Axons (Pfeilspitze). F, Spätere Schnitte des Mushroom Spine Head, die zeigen, wo das präsynaptische Axon den Spine Head in einer vesikelfreien Zone neben einer Zelladhäsion (Pfeil) neben der postsynaptischen Dichte in nachfolgenden seriellen Schnitten tief einstülpt. g, Dreidimensionale Rekonstruktion des Pilzstachels (beige) mit perforierter Synapse (rot) und mehreren kleinen Stacheln in das präsynaptische Axon (türkisfarbene Spinula) oder benachbartes Axon (Lavendelspinula). Reproduziert aus Ref.-Nr. 76 mit Genehmigung der Society for Neuroscience (Copyright 2004) und Dr. Harris.

Modelle der Spinulafunktionen. einEin Verfahren, bei dem die Transendozytose von Spinula nach einer wesentlichen Aktivierung überschüssige präsynaptische und postsynaptische Plasmamembran entfernt, führt zu vorübergehenden perforierten oder segmentierten Synapsen auf Pilzstacheln. Dieser Prozess könnte auch eine retrograde Signalisierung bereitstellen. B, Benachbarte Axone wetteifern um Synapsen über Spinule an den Hälsen und Köpfen dünner Stacheln. C, Interzelluläre Signalübertragung zwischen dünnen Dornen und perisynaptischer Glia über Dornen. Reproduziert aus Ref.-Nr. 76 mit Genehmigung der Society of Neuroscience (Copyright 2004) und Dr. Harris.

5c. Neurotrope Viren nutzen MVBs und Lipid-Raft-Domänen der postsynaptischen Membran

Viele neurotrope Viren, die das ZNS angreifen (einschließlich Polio, Tollwut, Masern, Varizellen, Herpes-simplex-Viren usw.), verbreiten sich bevorzugt transsynaptisch, sowohl anterograd als auch retrograd.Die Trojaner-Exosomen-Hypothese wurde für Retroviren formuliert [57], aber auch andere Viren können über exosomale Wege verpackt werden, z verwenden multivesikuläre Körper in ihrer Biogenese [80, 81]. In anterograder Richtung werden Virionen in Perikaryen verpackt, dann Axone hinuntertransportiert (Huckepack auf normalen axonalen Transportmechanismen) und gelangen zu Nervenenden, wo sie an benachbarte postsynaptische Neuronen abgegeben werden [82]. Das bevorzugte Targeting von Virionen auf synaptische Regionen kann durch die Tatsache erleichtert werden, dass die viralen Proteine ​​und RNAs zum Zusammenbau zu Nervenenden transportiert werden [83] tatsächlich induziert das Herpesvirus in sensorischen Neuronen die Bildung neuer präsynaptischer Varikositäten, die als Zusammenbau und Freisetzung dienen Seiten [84]. Umgekehrt können Viren auch an dendritischen Dornen und postsynaptischen Dichten lokalisiert sein [85] und sich retrograd auf präsynaptische Neuronen ausbreiten. Tatsächlich wurde beobachtet, dass unter bestimmten Bedingungen virale Knospung von einer Stelle aus neben der postsynaptischen Dichte auftritt, wo sie direkt in das präsynaptische Axon austreten [86] – sehr an synaptische Spinulae erinnernd.

5d. Frachtproteine ​​in postsynaptischen Exosomen

Mehrere Proteine, die in der Nähe der postsynaptischen Membran exprimiert werden und die synaptische Plastizität regulieren, sind führende Kandidaten, um von postsynaptischen Exosomen als Fracht transportiert zu werden:

A) CAM-Kinase II alpha

Studien zur subzellulären Fraktionierung haben gezeigt, dass ein Teil der CAM-Kinase II alpha mit dendritischen Lipid-Rafts assoziiert ist [87, 88]. Während die CAM-Kinase II außerordentlich intensiv untersucht wurde, weil sie für die postsynaptischen Plastizitätsmechanismen entscheidend ist [89], haben Studien gezeigt, dass präsynaptisch Auch bei der synaptischen Plastizität spielt die CAM-Kinase II eine Rolle [90–94]. Somit würde erwartet, dass die Bewegung des CAM-Kinase-II-Proteins (oder seiner mRNA) von der postsynaptischen zur präsynaptischen Seite die synaptische Plastizität verändert. Tatsächlich zeigten Ninan und Arancio [93], dass die Injektion von CAMKII-alpha-Protein in präsynaptische Hippocampus-Neuronen eine Potenzierung über die Synapse hinweg bewirkte, wenn sie mit einem schwachen Reizzug gepaart wurde. CAMKII-Holoenzym an Synapsen besteht ausschließlich aus Alpha-Untereinheiten, die in einem 12-Untereinheiten-Multimer organisiert sind und an der Synapse Strukturen höherer Ordnung bilden können [88]. Die Multimerisierung höherer Ordnung wird durch Bedingungen verstärkt, die den intrazellulären Calciumspiegel erhöhen [88], was insofern bemerkenswert ist, als Fang et al. schlugen vor, dass Oligomerisierung höherer Ordnung und Membranassoziation die Sortierung nach Exosomen vorhersagen [32]. In der Karpfen-Retina wurde CAM-Kinase II in synaptischen Spinula beobachtet [95], obwohl Spinula von Säugetieren meines Wissens nicht untersucht wurden. Somit kann die CAM-Kinase II alpha als führender Kandidat für das Cargo-Protein für synaptische Exosomen angesehen werden.

B) AMPA-Rezeptoren

Diese werden in der postsynaptischen Membran als Tetramere exprimiert, und ein Teil ist mit Lipid-Rafts assoziiert [z. B. [87, 96]]. Diese Tetramere bilden größere Cluster, deren Größe je nach Stimulus variiert, wie z. B. Bedingungen, die eine langfristige Potenzierung auslösen [96]. Waschmittelextraktionsexperimente zeigen, dass ein signifikanter Anteil der AMPA-Rezeptorcluster innerhalb der Lipid-Rafts gefunden wird [97]. Diese in vivo Überlegungen legen nahe, dass eine Oligomerisierung höherer Ordnung von AMPA-Rezeptoren in Lipid-Rafts induziert werden kann und stimmen mit der Beobachtung überein, dass AMPA-Rezeptor-Untereinheiten in gereinigten neuronalen Exosomen nachgewiesen werden in vitro[51]. (Im Gegensatz dazu NMDA-Rezeptoren und PSD-95, die in reifen Synapsen in vivo sind primär mit der postsynaptischen Dichte assoziiert, in neuronalen Exosomen nicht nachweisbar [51].) In der Fischnetzhaut wurde die AMPA-Rezeptor-Untereinheit GluR2 innerhalb synaptischer Spinule beobachtet [98]. Das Zyklieren von AMPA-Rezeptoren auf der Zelloberfläche zur und von der Zelloberfläche ist ein wichtiger Mechanismus zur Regulierung der synaptischen Plastizität [89], während meines Wissens keine physiologische Rolle für präsynaptische AMPA-Rezeptoren beschrieben wurde. Somit kann das Verpacken von AMPA-Rezeptoren in Exosomen ein zusätzliches Mittel sein, mit dem das postsynaptische (Wirts-)Neuron sich von überschüssigen Rezeptoren befreit, zusätzlich zu den derzeit bekannten Mechanismen (Internalisierung in Recycling-Endosomen und Weiterleitung an den endosomalen/lysosomalen Weg zum Abbau).

C) Transkriptionsfaktoren

Engrailed-1-mRNA wird in Dendriten transportiert, wo sie als Reaktion auf synaptische Aktivität lokal translatiert wird [99]. Als Botenprotein der Homöodomäne wurde es an der interzellulären Bewegung zwischen Zellen beteiligt [100]. In einem nicht-neuralen Zelltyp wurde gefunden, dass das verwandte Protein Engrailed-2 mit cholesterinreichen endozytischen Vesikel assoziiert [48]. Als Transkriptionsfaktor wird erwartet, dass Engrailed-1 die Genexpression innerhalb des präsynaptischen Neurons verändert. Es ist auch bekannt, dass eine Vielzahl anderer Transkriptionsfaktoren lokal in Dendriten exprimiert werden, einschließlich CREB, NFkappaB, STAT3, NAC1 und Tbr-1, und diese unterliegen ebenfalls einer induzierten Mobilisierung als Reaktion auf synaptische Aktivität. Obwohl derzeit angenommen wird, dass diese Transkriptionsfaktoren in den Zellkörper translozieren, sollte die Möglichkeit untersucht werden, dass sie auch in Exosomen wandern.

5e. mRNAs als Ladung postsynaptischer Exosomen?

Wenn Mastzellexosomen tatsächlich mRNAs und microRNAs beherbergen, wie von Valadi et al. [3], dann ist zu erwarten, dass sich dies als allgemeines Merkmal von Exosomen in anderen Zelltypen erweisen wird. Wie oben diskutiert, ist dieser Bericht jedoch nicht der einzige Grund zu der Annahme, dass die RNA-Signalübertragung über Exosomen erfolgen kann, und viele Indizien stimmen mit einer Rolle für den interzellulären Transfer von mRNAs und microRNAs an Synapsen überein:

A) Eine spezifische Population synaptischer mRNAs wird aktivitätsabhängig selektiv zu Dendriten transportiert

Dies ist der Fall für die oben diskutierten Kandidaten für exosomale Ladungen, z Elongationsfaktoren wurden routinemäßig in exosomalen Präparaten nachgewiesen [3–10]). Tatsächlich wandern Polyribosomen (und damit sowohl mRNAs als auch neu synthetisierte Proteine) aktiv in dendritische Dornen, nachdem LTP Stimuli hervorruft [102, 103]. Dieser Strom transportierter mRNAs stellt einen lokalen Pool bereit, der möglicherweise in Exosomen verpackt werden kann.

B) Synaptische mRNAs sind überraschend vielfältig und werden überraschend nahe an der postsynaptischen Membran exprimiert

Suzuki et al. stellten postsynaptische Dichtefraktionen aus dem Vorderhirn von Ratten her und identifizierten mRNAs, die in dieser Fraktion durch Genchipanalyse angereichert wurden [104]. Sie fanden

1900 verschiedene mRNAs, die eine Reihe verschiedener funktioneller Kategorien umfassten, darunter Kanäle, Rezeptoren für Neurotransmitter und Neuromodulatoren, Integrine und Matrixproteine, Proteine, die an der Signalübertragung beteiligt sind, Gerüst- und Adapterproteine ​​und Zytoskelettproteine. Viele dieser mRNAs waren in der PSD-Fraktion im Verhältnis zum gesamten Vorderhirnhomogenat stark angereichert (oder waren im Gesamthomogenat nicht nachweisbar) [104].

C) EIF4E, das die 5'-Kappe von mRNAs während ihres Transports in Dendriten bindet, ist ein guter Kandidat für die Sortierung von mRNAs in Exosomen

In subzellulären Fraktionierungsstudien wird EIF4E in Lipid-Rafts aufgeteilt und direkt neben dem PSD lokalisiert. Als Asaki et al. [105] die biochemische und EM-immunzytochemische Verteilung von Translationsinitiations- und Elongationsfaktoren in synaptischen Präparaten von reifem Rattenhirn charakterisierten, fanden sie, dass EIF4E, 4E-bindendes Protein, EIF2A, EIF4G und Elongationsfaktor 2 alle bevorzugt mit Lipid-Rafts assoziiert waren. In ihren Worten [105]:

"Die eIF4E-Immunreaktivität war an den postsynaptischen Stellen lokalisiert, insbesondere an den mikrovesikelartigen Strukturen unterhalb der postsynaptischen Membran in der Wirbelsäule, von denen einige in unmittelbarer Nähe der PSD lokalisiert waren."

Die Autoren interpretierten diese Ergebnisse als Hinweis darauf, dass das postsynaptische lokale Translationssystem zumindest teilweise unmittelbar unter der postsynaptischen Membran stattfindet. Die Ergebnisse zeigen jedoch auch, dass die Initiations- und Elongationsfaktoren (und vermutlich ihre assoziierten mRNAs) an oder in der Nähe der vorgeschlagenen Stellen naszierender Exosomen vorhanden sind. Man kann sich vorstellen, warum die beiden Prozesse (Proteinsynthese und exosomale Verpackung) eng miteinander verbunden sein könnten: Indem man Proteine ​​unmittelbar nach ihrer Synthese in Exosomen verpackt oder mRNAs, die im Empfängerneuron translatiert werden sollen, verpackt, kann man sicherstellen, dass die Proteine ​​"frisch" sind " und innerhalb der Empfängerzelle funktionsfähig und nicht bereits an stabilen Assoziationen mit anderen Proteinen beteiligt.

Neben der Unterstützung bei der Verpackung von mRNAs können Translationsinitiations- und Elongationsfaktoren auch als Frachtproteine ​​dienen, um die Proteinsynthese innerhalb des präsynaptischen Terminals zu erleichtern. Obwohl wachsende Axone und Wachstumskegel über aktive Proteintranslationsmaschinen verfügen, ist die Proteinsynthese in reifen präsynaptischen Terminals relativ spärlich [106]. Somit könnte sogar ein relativ kleiner Transfer von regulatorischen Proteinen und mRNAs auf die präsynaptische Seite einen signifikanten Beitrag zur Gesamtproteinsynthese an dieser Stelle leisten.

Ein weiteres mögliches RNA-bindendes Cargo-Protein ist CPEB1, ein Protein, das an CPE-Elemente bindet, die in der 3'-UTR bestimmter mRNAs vorhanden sind [107]. CPEB1 ist ein wichtiger Regulator des mRNA-Transports in Neuronen: Es ist beispielsweise Bestandteil von RNA-Transportpartikeln, die Staufen und FMRP enthalten [108]. CPEB1 stimuliert den Transport von CAM-Kinase-II-alpha-mRNA zu Dendriten in einer aktivitätsabhängigen Weise [109] und wirkt in Verbindung mit EIF4E und anderen Proteinen, um die Polyadenylierung und Translation der mRNAs, die es bindet, zu regulieren, von denen viele mRNAs kodieren, die zu Dendriten transportiert und die synaptische Proteine ​​kodieren [110]. Meines Wissens gibt es keinen direkten Beweis dafür, dass CPEB1 mit Lipid-Rafts an Synapsen assoziiert. Cao et al. [111] zeigten, dass CPEB1 sowie eine Vielzahl von translationalen Komponenten, einschließlich EIF4E und CPSF, eine Assoziation mit Oozytenmembranen durch Bindung an die C-terminalen Schwänze der Amyloid-Vorläuferproteine ​​APP, APLP1 und APLP2 aufweisen. Dies ist bemerkenswert, da Proteine ​​der Amyloid-Vorläuferfamilie an synaptischen Stellen angereichert sind, zu Lipid-Rafts geleitet werden können [112] und auch in endosomal-lysosomalen Kompartimenten identifiziert wurden. Darüber hinaus fördert die Assoziation mit Proteinen der APP-Familie die CPEB1-abhängige Polyadenylierung und Translation [111].

D) Eine kompartimentierte Population von microRNAs wird auch in synaptischen Fraktionen exprimiert

Hunderte von microRNAs werden im reifen Vorderhirn exprimiert, und zumindest einige regulieren die Translation spezifischer Ziel-mRNAs innerhalb dendritischer Dornen [[113], Übersicht in [114]]. Meine Gruppe hat kürzlich die relative Häufigkeit von reifen microRNAs in Microarray- und Echtzeit-RT-PCR-Studien von synaptischen Fraktionen (d. h. Synaptoneurosomen) charakterisiert, die aus dem Vorderhirn von erwachsenen Mäusen isoliert wurden. Die meisten microRNAs, die im Vorderhirnhomogenat exprimiert werden, sind in Synaptoneurosomen nachweisbar, und einige microRNAs sind viel (bis zu

8-fach) weniger häufig in der synaptischen Fraktion, aber die meisten haben ungefähr die gleiche Häufigkeit, und etwa 10% der microRNAs sind in der synaptischen Fraktion signifikant angereichert (Lugli et al., ms. in Vorbereitung). Somit ist die Population von microRNAs reichlich vorhanden, vielfältig und weist eine charakteristische Zusammensetzung in der Nähe von reifen Synapsen auf. Es ist nicht klar, wie microRNAs in Exosomen sortiert werden würden, aber die meisten microRNAs werden in Verbindung mit aktiv translatierenden mRNAs auf Polyribosomen gefunden [115]. Werden synaptische mRNAs oder microRNA-bindende Proteine ​​(wie FMRP oder EIF2c) in Exosomen einsortiert, könnten diese möglicherweise die microRNAs mit sich führen.

6. Testen des Modells

Findet eine exosomale transsynaptische Signalübertragung im ZNS von Säugetieren statt? Wenn ja, übertragen Exosomen Proteine, mRNAs oder microRNAs von postsynaptischen dendritischen Dornen zu präsynaptischen Enden? Mehrere Versuchsreihen werden vorgeschlagen, um diese Hypothesen zu testen:

A) Tests neuronaler Exosomen in vitro

Exprimieren neuronale Exosomen [51] eines der vorhergesagten synaptischen Frachtproteine ​​(z. B. CAM-Kinase II alpha, EIF4E oder CPEB1)? Werden mRNAs nachgewiesen? Wenn ja, sind sie an synaptischen mRNAs und/oder an mRNAs, die CPE-Elemente tragen, angereichert? Wird die Depolarisation der Neuronen die Häufigkeit erhöhen oder die Art der sezernierten RNAs verändern? Werden microRNAs auch in Exosomen nachgewiesen? Wenn ja, können verwandte Proteine ​​wie Dicer, FMRP oder EIF2c identifiziert werden [116]? Kann man, wenn neuronale Exosomen mit naiven Empfängerneuronen kokultiviert werden, die Aufnahme von RNAs in die Empfängerzellen nachweisen und zeigen, dass die Exosomen entsprechende Effekte erzeugen, nämlich die Translation der übertragenen mRNAs und das Stummschalten bestimmter endogener mRNAs aufgrund der übertragenen microRNAs?

B) Tests des exosomalen Transfers in vivo

Wenn CAM-Kinase II alpha tatsächlich eine Fracht für Exosomen ist, kann dann das CAM-Kinase II alpha-Protein nachgewiesen werden? in vivo in Nicht-Vorderhirn-Neuronen, die zum Vorderhirn projizieren, z. B. in Thalamus-Projektionsneuronen, von denen nicht bekannt ist, dass sie dieses Protein synthetisieren? Wenn dies der Fall ist, muss entweder das CAM-Kinase-II-alpha-Protein (oder seine mRNA) auf die Thalamusneuronen übertragen worden sein.

Ein weiterer Test besteht darin, synaptische Spinula mit EM-Immunzytochemie zu charakterisieren, um zu fragen, ob sie exosomale Markerproteine ​​(Alix und Tsg101) sowie die mutmaßlichen Proteinladungen und mRNAs (unter Verwendung von markierten Oligo-dT-Sonden) enthalten.

Am wichtigsten ist vielleicht, dass man in der Lage sein sollte, eine markierte Version des Alix-Proteins selektiv in postnatalen Vorderhirnneuronen transgener Mäuse zu exprimieren, indem man Konstrukte verwendet, die unter der Kontrolle des CAMKII-alpha-Promotors stehen. (Da eine Überproduktion von Alix über seine Interaktionen mit ALG-2 zum Zelltod führen kann, sollte eine mutierte Form von Alix ohne die ALG-2-Interaktionsdomäne eingesetzt werden [117]. Als Positivkontrolle muss überprüft werden, dass eine Exosomensekretion stattfindet normalerweise in kortikalen neuronalen Kulturen, die aus transgenen Mäusen hergestellt wurden, und dass man das markierte, mutierte Alix-Protein in Exosomen, die in diesen Kulturen sezerniert werden, nachweisen kann.) Wenn markiertes Alix-Protein nicht nur in Vorderhirnneuronen, sondern auch in ihren präsynaptischen Partnern im Gehirn nachgewiesen wird Regionen, denen die CAMKII-Expression fehlt, kann man schlussfolgern, dass Alix interzellulär übertragen wird, höchstwahrscheinlich innerhalb von Exosomen. Als Negativkontrolle sollte die Expression eines markierten irrelevanten Proteins, von dem angenommen wird, dass es NICHT in Exosomen vorhanden ist (z. B. PSD-95 [51]), keinen interzellulären Transfer zeigen. Wenn die exosomale Signalübertragung verifiziert ist, kann man synaptische Kandidatenproteine ​​und ihre mRNAs (ausgewählt aus denen, die in Präparaten neuronaler Exosomen exprimiert werden) markieren und ihren interzellulären Transfer mit einer ähnlichen Strategie testen.


BIO 140 - Humanbiologie I - Lehrbuch

/>
Sofern nicht anders angegeben, ist dieses Werk unter einer Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License lizenziert.

So drucken Sie diese Seite:

Klicken Sie unten auf dem Bildschirm auf das Druckersymbol

Ist Ihr Ausdruck unvollständig?

Stellen Sie sicher, dass Ihr Ausdruck alle Inhalte der Seite enthält. Wenn dies nicht der Fall ist, versuchen Sie, dieses Handbuch in einem anderen Browser zu öffnen und von dort zu drucken (manchmal funktioniert Internet Explorer besser, manchmal Chrome, manchmal Firefox usw.).

Kapitel 35

Ein Überblick über das endokrine System

  • Unterscheiden Sie die Arten der interzellulären Kommunikation, ihre Bedeutung, Mechanismen und Wirkungen
  • Identifizieren Sie die wichtigsten Organe und Gewebe des endokrinen Systems und ihre Lage im Körper

Kommunikation ist ein Prozess, bei dem ein Sender Signale an einen oder mehrere Empfänger überträgt, um Aktionen zu steuern und zu koordinieren. Im menschlichen Körper sind zwei Hauptorgansysteme an der relativen "Fernkommunikation" beteiligt: ​​das Nervensystem und das endokrine System. Zusammen sind diese beiden Systeme in erster Linie für die Aufrechterhaltung der Homöostase im Körper verantwortlich.

Neuronale und endokrine Signalübertragung

Das Nervensystem nutzt zwei Arten der interzellulären Kommunikation – elektrische und chemische Signale – durch die direkte Wirkung eines elektrischen Potentials oder im letzteren Fall durch die Wirkung chemischer Neurotransmitter wie Serotonin oder Noradrenalin. Neurotransmitter wirken lokal und schnell. Wenn ein elektrisches Signal in Form eines Aktionspotentials am synaptischen Terminal ankommt, diffundieren sie über den synaptischen Spalt (die Lücke zwischen einem sendenden Neuron und einem empfangenden Neuron oder einer Muskelzelle). Sobald die Neurotransmitter mit Rezeptoren auf der empfangenden (postsynaptischen) Zelle interagieren (binden), wird die Rezeptorstimulation in eine Reaktion umgewandelt, wie beispielsweise eine fortgesetzte elektrische Signalübertragung oder eine Modifikation der zellulären Reaktion. Die Zielzelle antwortet innerhalb von Millisekunden nach Empfang der chemischen „Message” diese Antwort hört dann sehr schnell auf, sobald die neuronale Signalübertragung endet. Auf diese Weise ermöglicht die neuronale Kommunikation Körperfunktionen, die schnelle, kurze Aktionen beinhalten, wie Bewegung, Empfindung und Wahrnehmung. Im Gegensatz dazu verwendet das endokrine System nur eine Kommunikationsmethode: chemische Signale. Diese Signale werden von den endokrinen Organen gesendet, die Chemikalien und das Hormon in die extrazelluläre Flüssigkeit absondern. Hormone werden hauptsächlich über den Blutkreislauf durch den Körper transportiert, wo sie an Rezeptoren auf Zielzellen binden und eine charakteristische Reaktion auslösen. Infolgedessen benötigt die endokrine Signalgebung mehr Zeit als die neuronale Signalgebung, um eine Reaktion in den Zielzellen auszulösen, obwohl die genaue Zeitdauer je nach Hormon variiert. Zum Beispiel werden die Hormone freigesetzt, wenn Sie mit einer gefährlichen oder beängstigenden Situation konfrontiert werden, die als Kampf-oder-Flucht-Reaktion bezeichnet wird, indem innerhalb von Sekunden die Nebennierenhormone &mdashepinephrin und Noradrenalin&mdash freigesetzt werden. Im Gegensatz dazu kann es bis zu 48 Stunden dauern, bis die Zielzellen auf bestimmte Fortpflanzungshormone reagieren.

Besuchen Sie das unten verlinkte Video, um eine Animation der Ereignisse zu sehen, die auftreten, wenn ein Hormon an einen Zellmembranrezeptor bindet. Was ist der sekundäre Botenstoff, den die Adenylylcyclase bei der Aktivierung von Leberzellen durch Adrenalin produziert?

Darüber hinaus ist die endokrine Signalübertragung typischerweise weniger spezifisch als die neuronale Signalübertragung. Das gleiche Hormon kann in Abhängigkeit von den beteiligten Zielzellen bei einer Vielzahl unterschiedlicher physiologischer Prozesse eine Rolle spielen. Zum Beispiel fördert das Hormon Oxytocin die Gebärmutterkontraktionen bei Frauen während der Wehen. Es ist auch beim Stillen wichtig und kann sowohl bei Männern als auch bei Frauen an der sexuellen Reaktion und an Gefühlen der emotionalen Bindung beteiligt sein.

Im Allgemeinen beinhaltet das Nervensystem schnelle Reaktionen auf schnelle Veränderungen in der äußeren Umgebung, und das endokrine System reagiert normalerweise langsamer und kümmert sich um die innere Umgebung des Körpers, um die Homöostase aufrechtzuerhalten und die Reproduktion zu kontrollieren (Tabelle 1). Wie kommt es also zu der zuvor erwähnten Kampf-oder-Flucht-Reaktion so schnell, wenn Hormone normalerweise langsamer wirken? Das liegt daran, dass die beiden Systeme miteinander verbunden sind. Es ist die schnelle Reaktion des Nervensystems als Reaktion auf die Gefahr in der Umwelt, die die Nebennieren dazu anregt, ihre Hormone auszuschütten. Infolgedessen kann das Nervensystem bei Bedarf schnelle endokrine Reaktionen auslösen, um mit plötzlichen Veränderungen sowohl der äußeren als auch der inneren Umgebung Schritt zu halten.

Tabelle 1: Endokrines und Nervensystem

Hormonsystem Nervöses System
Signalisierungsmechanismus(e) Chemisch Chemisch/Elektrisch
Primäres chemisches Signal Hormone Neurotransmitter
Zurückgelegte Entfernung Lang oder kurz Immer kurz
Reaktionszeit Schnell oder langsam Immer schnell
Umgebung ausgerichtet Intern Intern und extern

Strukturen des endokrinen Systems

Das endokrine System besteht aus Zellen, Geweben und Organen, die als primäre oder sekundäre Funktion Hormone absondern. Die endokrine Drüse ist der Hauptakteur in diesem System. Die Hauptfunktion dieser Blutdrüsen besteht darin, ihre Hormone direkt in die umgebende Flüssigkeit abzusondern. Die interstitielle Flüssigkeit und die Blutgefäße transportieren die Hormone dann durch den Körper. Das endokrine System umfasst die Hypophyse, die Schilddrüse, die Nebenschilddrüse, die Nebenniere und die Zirbeldrüse (Abbildung 1). Einige dieser Drüsen haben sowohl endokrine als auch nicht-endokrine Funktionen. Zum Beispiel enthält die Bauchspeicheldrüse Zellen, die für die Verdauung zuständig sind, sowie Zellen, die die Hormone Insulin und Glukagon ausschütten, die den Blutzuckerspiegel regulieren. Hypothalamus, Thymusdrüse, Herz, Nieren, Magen, Dünndarm, Leber, Haut, weibliche Eierstöcke und männliche Hoden sind weitere Organe, die Zellen mit endokriner Funktion enthalten. Darüber hinaus ist seit langem bekannt, dass Fettgewebe Hormone produziert, und neuere Forschungen haben ergeben, dass sogar Knochengewebe endokrine Funktionen hat.

Abbildung 1: Endokrine Drüsen und Zellen sind im ganzen Körper verteilt und spielen eine wichtige Rolle bei der Homöostase.

Die duktlosen endokrinen Drüsen sind nicht zu verwechseln mit dem exokrinen System des Körpers, dessen Drüsen ihre Sekrete durch Kanäle abgeben. Beispiele für exokrine Drüsen sind die Talg- und Schweißdrüsen der Haut. Wie bereits erwähnt, hat die Bauchspeicheldrüse auch eine exokrine Funktion: Die meisten ihrer Zellen sezernieren Pankreassaft über die Pankreas- und akzessorischen Gänge in das Lumen des Dünndarms.

Andere Arten der chemischen Signalgebung

Bei der endokrinen Signalübertragung diffundieren Hormone, die in die extrazelluläre Flüssigkeit sezerniert werden, in das Blut oder die Lymphe und können dann weite Strecken im ganzen Körper zurücklegen. Im Gegensatz dazu findet die autokrine Signalübertragung innerhalb derselben Zelle statt. Ein Autokrin (auto- = &ldquoself&rdquo) ist eine Chemikalie, die eine Reaktion in derselben Zelle auslöst, die sie sezerniert hat. Interleukin-1 oder IL-1 ist ein Signalmolekül, das eine wichtige Rolle bei der Entzündungsreaktion spielt. Die Zellen, die IL-1 sezernieren, haben Rezeptoren auf ihrer Zelloberfläche, die diese Moleküle binden, was zu einer autokrinen Signalübertragung führt.

Die lokale interzelluläre Kommunikation ist die Domäne des parakrinen , auch parakrinen Faktors genannt, einer Chemikalie, die eine Reaktion in benachbarten Zellen auslöst. Obwohl Parakrine in den Blutkreislauf gelangen können, ist ihre Konzentration im Allgemeinen zu niedrig, um eine Reaktion von entfernten Geweben hervorzurufen. Ein bekanntes Beispiel für Asthmatiker ist Histamin, ein Parakrin, das von Immunzellen im Bronchialbaum freigesetzt wird. Histamin bewirkt, dass sich die glatten Muskelzellen der Bronchien verengen und die Atemwege verengen. Ein weiteres Beispiel sind die Neurotransmitter des Nervensystems, die nur lokal im synaptischen Spalt wirken.

Karriereverbindung

Endokrinologe

Die Endokrinologie ist ein Fachgebiet der Medizin, das sich auf die Behandlung von Erkrankungen des endokrinen Systems konzentriert. Endokrinologen und auf dieses Gebiet spezialisierte Mediziner und Experten in der Behandlung von Erkrankungen des Hormonsystems, die von Schilddrüsenerkrankungen bis hin zu Diabetes mellitus reichen. Endokrine Chirurgen behandeln endokrine Erkrankungen durch die Entfernung oder Resektion der betroffenen endokrinen Drüse.

Patienten, die an Endokrinologen überwiesen werden, können Anzeichen und Symptome oder Bluttestergebnisse aufweisen, die auf eine übermäßige oder beeinträchtigte Funktion einer endokrinen Drüse oder endokriner Zellen schließen lassen. Der Endokrinologe kann zusätzliche Bluttests anordnen, um festzustellen, ob der Hormonspiegel des Patienten abnormal ist, oder er kann die Funktion der verdächtigen endokrinen Drüse stimulieren oder unterdrücken und dann Blut zur Analyse entnehmen. Die Behandlung variiert je nach Diagnose. Einige endokrine Störungen, wie Typ-2-Diabetes, können auf Veränderungen des Lebensstils wie mäßiger Gewichtsverlust, eine gesunde Ernährung und regelmäßige körperliche Aktivität reagieren. Andere Erkrankungen können Medikamente wie Hormonersatz und routinemäßige Überwachung durch den Endokrinologen erfordern. Dazu gehören Erkrankungen der Hypophyse, die das Wachstum beeinträchtigen können, und Erkrankungen der Schilddrüse, die zu einer Vielzahl von Stoffwechselproblemen führen können.

Bei einigen Patienten treten aufgrund des normalen Rückgangs der Hormone, der mit dem Altern einhergehen kann, gesundheitliche Probleme auf. Diese Patienten können einen Endokrinologen konsultieren, um die Risiken und Vorteile einer Hormonersatztherapie abzuwägen, die ihren natürlichen Spiegel an Fortpflanzungshormonen erhöhen soll.

Neben der Behandlung von Patienten können Endokrinologen an der Forschung beteiligt sein, um das Verständnis von Störungen des endokrinen Systems zu verbessern und neue Behandlungen für diese Krankheiten zu entwickeln.

Kapitelrückblick

Das endokrine System besteht aus Zellen, Geweben und Organen, die für die Homöostase wichtige Hormone absondern. Der Körper koordiniert seine Funktionen durch zwei Hauptarten der Kommunikation: neuronale und endokrine. Die neuronale Kommunikation umfasst sowohl elektrische als auch chemische Signale zwischen Neuronen und Zielzellen. Die endokrine Kommunikation beinhaltet chemische Signale über die Freisetzung von Hormonen in die extrazelluläre Flüssigkeit. Von dort diffundieren Hormone in den Blutkreislauf und können in entfernte Körperregionen gelangen, wo sie eine Reaktion in Zielzellen auslösen. Endokrine Drüsen sind duktlose Drüsen, die Hormone absondern. Viele Organe des Körpers mit anderen primären Funktionen wie Herz, Magen und Nieren haben auch hormonsezernierende Zellen.


Multiple-Choice-Fragen und Antworten zum Nervensystem

33. Welche Prozesse bei Tieren werden durch circadiane Rhythmen reguliert?

34. Durch welche der folgenden Maßnahmen wird die Integration einfacher Reaktionen auf bestimmte Reize, wie z. B. der Patellarreflex, erreicht?

35. Welcher Teil des Nervensystems von Wirbeltieren ist am meisten an der Vorbereitung auf die Kampf-oder-Flucht-Reaktion beteiligt?

36. Wenn Sie einen Aufsatz schreiben würden, welcher Teil des Gehirns wäre am aktivsten?

  1. Temporal- und Frontallappen
  2. Parietallappen
  3. Brocas Platz
  4. Wernickes-Gebiet

37. Welcher Bereich des Gehirns ist am engsten mit der unbewussten Steuerung von Atmung und Kreislauf verbunden?

38. In welcher Struktur befinden sich suprachiasmatische Kerne?

39. Zerebralparese, die die motorischen Botschaften vom Gehirn zum Muskel stört, ist normalerweise auf eine Schädigung von

  1. das Kleinhirn.
  2. Basalkerne der grauen Substanz.
  3. Basalkerne der weißen Substanz.
  4. das Corpus callosum.

40. Als Phineas Gage einen Metallstab in seinen Frontallappen getrieben hatte oder jemand eine frontale Lobotomie hatte, was geschah dann?


Wie funktioniert Ihr Nervensystem?

Ihr Nervensystem besteht aus:

Nervenzellen und ihre Fasern

Es gibt Milliarden und Abermilliarden von Nervenzellen in Ihrem Gehirn, Ihrem Rückenmark und in Klumpen direkt außerhalb Ihres Rückenmarks.

Jede Nervenzelle hat einen mikroskopischen Körper:

Der Körper der Nervenzelle ist dafür verantwortlich, Nährstoffe zu verarbeiten und die Zelle am Leben zu erhalten

Jede Nervenzelle hat Fasern, die von und zu ihr gehen:

Eingangsfasern empfangen Signale von anderen Nervenzellen oder von Rezeptoren in Ihren Sinnesorganen

Ausgangsfasern senden Signale an andere Nerven, Muskeln oder andere Organe

Signale breiten sich in einer Nervenzelle nur in eine Richtung aus

Manchmal sind Nervenfasern Dutzende Zentimeter lang. Zum Beispiel kann eine einzelne Nervenfaser von der Nähe Ihres Rückenmarks bis zu Ihrem Zeh verlaufen. Einige Nervenfasern, die zu Ihrer Haut oder Ihren Organen führen, haben sensorische Rezeptoren. Zum Beispiel erkennen die Rezeptoren am Ende der Nervenfasern in Ihrer Haut scharfe oder heiße Gegenstände.

Obwohl Nervenfasern und ihre Signale sich wie ein Draht verhalten, der elektrische Signale trägt, ist das nicht ganz richtig. Nervenzellen senden ihre Signale wirklich mit Chemikalien.

Chemische Veränderungen finden progressiv entlang der Länge einer Nervenfaser statt

Wenn die chemischen Veränderungen das Ende der Nervenfaser erreichen, setzen sie andere Chemikalien frei, die Neurotransmitter genannt werden

Die Neurotransmitter driften über eine mikroskopische Lücke, wo sie auf die chemischen Rezeptoren einer anderen Zelle treffen

Die Neurotransmitter lösen chemische Veränderungen in dieser anderen Zelle aus

Wenn diese Zelle eine Nervenzelle ist, setzen sich die fortschreitenden chemischen Veränderungen in den Fasern dieser Zelle fort, um das Signal weiterzuleiten

In anderen Fällen ist die nächste Zelle keine Nervenzelle – wenn die nächste Zelle zum Beispiel eine Muskelzelle ist, verursacht der Neurotransmitter chemische Veränderungen, die die Muskelzelle kontrahieren lassen

Typischer Aufbau einer Nervenzelle

Eine Nervenzelle (Neuron) besteht aus einem großen Zellkörper und Nervenfasern – einer verlängerten Verlängerung (Axon) zum Senden von Impulsen und normalerweise vielen Ästen (Dendriten) zum Empfangen von Impulsen. Jedes große Axon ist von Fettschichten namens Myelin umhüllt.

Eine Nervenzelle sendet nur eine Art von Signal, das nicht viele Informationen transportieren kann. Wenn jedoch Milliarden von Nervenzellen wie in Ihrem Gehirn miteinander verbunden sind, bilden sie einen sehr leistungsfähigen Informationsprozessor.


Struktur

Das Nervensystem leitet seinen Namen von Nerven ab, bei denen es sich um zylindrische Faserbündel (die Axone von Neuronen) handelt, die vom Gehirn und Rückenmark ausgehen und sich wiederholt verzweigen, um jeden Teil des Körpers zu innervieren. Nerven sind groß genug, um von den alten Ägyptern, Griechen und Römern erkannt zu werden [3], aber ihre innere Struktur wurde nicht verstanden, bis es möglich wurde, sie mit einem Mikroskop zu untersuchen. Eine mikroskopische Untersuchung zeigt, dass Nerven hauptsächlich aus Axonen bestehen, zusammen mit verschiedenen Membranen, die sie umhüllen und in Faszikel aufteilen . Die Neuronen, aus denen Nerven entstehen, liegen nicht vollständig in den Nerven selbst – ihre Zellkörper befinden sich im Gehirn, im Rückenmark oder in den peripheren Ganglien.

Alle Tiere, die fortgeschrittener sind als Schwämme, haben ein Nervensystem. Aber auch Schwämme, einzellige Tiere und Nicht-Tiere wie Schleimpilze haben Signalmechanismen von Zelle zu Zelle, die Vorläufer von Neuronen sind. Bei radiärsymmetrischen Tieren wie Quallen und Hydra besteht das Nervensystem aus einem Nervennetz, einem diffusen Netzwerk isolierter Zellen. Bei bilaterianischen Tieren, die die große Mehrheit der existierenden Arten ausmachen, hat das Nervensystem eine gemeinsame Struktur, die vor über 550 Millionen Jahren in der frühen ediakarischen Zeit entstand.

Zellen

Das Nervensystem enthält zwei Hauptkategorien oder Zelltypen: Neuronen und Gliazellen.

Neuronen

Das Nervensystem wird durch das Vorhandensein eines speziellen Zelltyps definiert – dem Neuron (manchmal auch "Neuron" oder "Nervenzelle" genannt). Neuronen können auf verschiedene Weise von anderen Zellen unterschieden werden, aber ihre grundlegendste Eigenschaft besteht darin, dass sie mit anderen Zellen über Synapsen kommunizieren, das sind Membran-zu-Membran-Verbindungen, die eine molekulare Maschinerie enthalten, die eine schnelle Übertragung von elektrischen oder chemischen Signalen ermöglicht . Viele Arten von Neuronen besitzen ein Axon, eine protoplasmatische Vorwölbung, die sich in entfernte Körperteile ausdehnen und Tausende von synaptischen Kontakten herstellen kann. Axone wandern häufig in Bündeln, die Nerven genannt werden, durch den Körper.

Sogar im Nervensystem einer einzigen Spezies wie des Menschen existieren Hunderte von verschiedenen Arten von Neuronen mit einer großen Vielfalt von Morphologien und Funktionen. Dazu gehören sensorische Neuronen, die physikalische Reize wie Licht und Ton in neuronale Signale umwandeln, und Motoneuronen, die neuronale Signale in die Aktivierung von Muskeln oder Drüsen umwandeln Ausgabe an andere Neuronen.

Gliazellen

Gliazellen (aus dem Griechischen für "Kleber" genannt) sind nicht-neuronale Zellen, die Unterstützung und Ernährung bieten, die Homöostase aufrechterhalten, Myelin bilden und an der Signalübertragung im Nervensystem teilnehmen. Im menschlichen Gehirn wird geschätzt, dass die Gesamtzahl der Glia ungefähr der Anzahl der Neuronen entspricht, obwohl die Anteile in verschiedenen Gehirnbereichen variieren. Zu den wichtigsten Funktionen von Gliazellen gehört es, Neuronen zu unterstützen und an Ort und Stelle zu halten, um Neuronen mit Nährstoffen zu versorgen, Neuronen elektrisch zu isolieren, Krankheitserreger zu zerstören und tote Neuronen zu entfernen und Leitsignale bereitzustellen, die die Axone der Neuronen zu ihren Zielen leiten. Ein sehr wichtiger Typ von Gliazellen (Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem und Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem) erzeugt Schichten einer fettigen Substanz namens Myelin, die sich um Axone wickelt und eine elektrische Isolierung bietet, die es ihnen ermöglicht, Aktionspotentiale viel schneller zu übertragen und effizient.

Anatomie bei Wirbeltieren

Das Nervensystem von Wirbeltieren (einschließlich des Menschen) wird in das zentrale Nervensystem (ZNS) und das periphere Nervensystem (PNS) unterteilt.

Das (ZNS) ist die Hauptabteilung und besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark. [11] Der Spinalkanal enthält das Rückenmark, während der Kopf das Gehirn enthält. Das ZNS wird von den Hirnhäuten, einem dreischichtigen Membransystem, einschließlich einer harten, ledrigen Außenschicht namens Dura mater, umschlossen und geschützt. Das Gehirn wird auch durch den Schädel und das Rückenmark durch die Wirbel geschützt.

Das periphere Nervensystem (PNS) ist ein Sammelbegriff für die Strukturen des Nervensystems, die nicht innerhalb des ZNS liegen. Die große Mehrheit der Axonbündel, die Nerven genannt werden, werden dem PNS zugerechnet, auch wenn die Zellkörper der Neuronen, zu denen sie gehören, im Gehirn oder Rückenmark liegen. Das PNS ist in somatische und viszerale Anteile unterteilt. Der somatische Teil besteht aus den Nerven, die Haut, Gelenke und Muskeln innervieren. Die Zellkörper somatischer sensorischer Neuronen liegen in den Spinalganglien des Rückenmarks. Der viszerale Teil, auch als autonomes Nervensystem bekannt, enthält Neuronen, die die inneren Organe, Blutgefäße und Drüsen innervieren. Das autonome Nervensystem selbst besteht aus zwei Teilen: dem sympathischen Nervensystem und dem parasympathischen Nervensystem. Einige Autoren schließen auch sensorische Neuronen, deren Zellkörper in der Peripherie (für Sinne wie das Hören) liegen, als Teil des PNS ein, andere lassen sie jedoch weg.


Was ist das Nervensystem?

Das Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk von Nervenzellen, das es uns ermöglicht, mit der Welt um uns herum zu kommunizieren und zu interagieren. Es sammelt Informationen über unsere Umwelt durch unsere Sinne, verarbeitet diese Informationen und stimuliert dann eine körperliche Reaktion. Nervenzellen spielen eine wichtige Rolle bei der Funktion des Nervensystems, da sie Nachrichten zwischen Gehirn, Rückenmark und anderen Körperteilen empfangen und übertragen. Wenn Sie beispielsweise etwas Heißes berühren, senden Ihre Nervenzellen ein Schmerzsignal an Ihr Gehirn. Fast sofort verarbeitet das Gehirn diese Informationen und sendet eine Nachricht zurück, die Sie dazu veranlasst, Ihre Hand wegzureißen.

Das Nervensystem kann in zwei Schlüsselkomponenten unterteilt werden: Zentrales Nervensystem (ZNS) und der Peripheres Nervensystem (PNS). Das ZNS besteht aus Gehirn und Rückenmark und steuert praktisch jede Funktion unseres Körpers und Geistes, einschließlich unserer Bewegungen, Gedanken, Emotionen, Wünsche, hormonellen Schwankungen, Atmung, Herzfrequenz und mehr.

Das PNS besteht aus Nerven, die vom Rückenmark abzweigen und sich in alle anderen Körperteile erstrecken. Sie leiten sensorische Informationen zur Interpretation an das ZNS weiter und regulieren die Reaktionen auf diese Reize wie Schwitzen, Muskelbewegungen, Blutdruckänderungen usw.


Nervöses System

Das Nervensystem eines Tieres koordiniert die Aktivität der Muskeln, überwacht die Organe, konstruiert und stoppt auch die Sinneseindrücke und leitet Aktionen ein.

Das Nervensystem von Wirbeltieren wird häufig in das zentrale Nervensystem (ZNS) und das periphere Nervensystem (PNS) unterteilt.

Das ZNS besteht aus Gehirn und Rückenmark.

Das PNS besteht aus allen anderen Nerven und Neuronen, die nicht innerhalb des ZNS liegen.

Die große Mehrheit der sogenannten Nerven (die eigentlich axonale Prozesse von Nervenzellen sind) werden als PNS angesehen.

Das periphere Nervensystem wird in das somatische Nervensystem und das autonome Nervensystem unterteilt.

Das somatische Nervensystem ist verantwortlich für die Koordination der Körperbewegungen und auch für die Aufnahme äußerer Reize.

Es ist das System, das Aktivitäten reguliert, die unter bewusster Kontrolle stehen.

Das autonome Nervensystem wird dann in den sympathischen Teil, den parasympathischen Teil und den enterischen Teil aufgeteilt.

Das sympathische Nervensystem reagiert auf drohende Gefahr oder Stress und ist neben anderen physiologischen Veränderungen für die Erhöhung des Herzschlags und des Blutdrucks sowie für das Gefühl der Erregung aufgrund der Erhöhung des Adrenalins im System verantwortlich.

Der Parasympathikus hingegen zeigt sich in Ruhe und Entspannung und ist für Dinge wie die Verengung der Pupille, die Verlangsamung des Herzens, die Erweiterung der Blutgefäße und die Stimulation verantwortlich des Verdauungs- und Urogenitalsystems.

Die Rolle des enterischen Nervensystems besteht darin, jeden Aspekt der Verdauung zu steuern, von der Speiseröhre über den Magen, Dünndarm und Dickdarm.


Biologie Gk : Das Nervensystem | तंत्रिका तंत्र

मानव शरीर का वह भाग जहाँ से शरीर के समस्त क्रियाओ का नियमन तथा नियंत्रण होता है | इसके अंतर्गत मस्तिष्क , मेरु रज्जु तथा तंत्रिकाएं आती है |

(Der Teil des menschlichen Körpers, von dem aus alle Aktionen des Körpers reguliert und kontrolliert werden.)

1. वृहत मस्तिष्क या प्रमस्तिष्क (Großhirn oder Großhirn)

2. लघु मस्तिष्क / सेरिबैलम (Kleinhirn)

3. मेदुला ऑब्लांगाटा (Medulla oblongata)

1.वृहत मस्तिष्क या प्रमस्तिष्क (Großhirn oder Großhirn)

यह मस्तिष्क का सबसे बड़ा भाग है | यह इच्छा शक्ति, स्मरण शक्ति, अनुभव , सुनने की शक्ति , देखने की शक्ति , सूंघना , बोलना, एवं शरीर में चेतना आदि कार्यो को नियंत्रित करता है |

(Es ist der größte Teil des Gehirns. Es steuert die Sehkraft, Gedächtnisleistung, Erfahrung, Hörleistung, Seh-, Riech-, Sprach- und Bewusstseinsleistung im Körper.)

2.लघु मस्तिष्क / सेरिबैलम (Kleinhirn)

यह शरीर को संतुलित करने के साथ साथ मांसपेसियों को नियंत्रित करता है |

(Es steuert die Muskeln und balanciert den Körper.)

3.मेदुला ऑब्लांगाटा (Medulla oblongata)

यह कशेरुक दंड के न्यूरॉल के नाल में प्रवेश करने के बाद मेरुरज्जु कहलाता है|
इसका कार्य ह्रदय की धरकन , आँखों के पलको का झपकना , पाचन अंग , श्वसन क्रिया आदि को नियंत्रित करना है |

(Es wird Rückenmark genannt, nachdem es die Veranda des neuralen Herzens der Wirbeltierbuße betreten hat.
Seine Funktion besteht darin, das Herz, die Wimpern der Augen, das Verdauungsorgan, die Atmungsfunktion usw. zu kontrollieren.)


Schau das Video: Nervensystem Teil 1: Aufbau Nervenzelle, Nervensysteme Abi Special (Januar 2022).