Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die fundamentalen Bausteine des Nervensystems. Sie sind für die Aufnahme, Weiterleitung und Verarbeitung von Reizen verantwortlich, die es uns ermöglichen, unsere Umwelt wahrzunehmen und auf sie zu reagieren. Dieser Artikel bietet einen detaillierten Einblick in den Aufbau einer Nervenzelle und die Funktionen ihrer einzelnen Bestandteile.
Einführung in die Nervenzelle
Nervenzellen sind hochspezialisierte Zellen, die in unserem Körper für die Reizweiterleitung zuständig sind. Sie bilden ein komplexes Netzwerk, das Informationen aus der Umwelt aufnimmt, verarbeitet und an verschiedene Teile des Körpers weiterleitet. Diese Informationen ermöglichen es uns, zu sehen, zu hören, zu fühlen, zu riechen und zu schmecken.
Stell dir vor, du stehst an einer roten Ampel. Deine Augen nehmen das rote Licht wahr, und diese Information wird von Nervenzellen in deinem Gehirn weitergeleitet. Dein Gehirn verarbeitet diese Information und sendet ein Signal an deine Beinmuskeln, um stehen zu bleiben. Dieser gesamte Prozess, der in Sekundenbruchteilen abläuft, wird durch die Arbeit von Nervenzellen ermöglicht.
Der Aufbau einer Nervenzelle
Eine Nervenzelle besteht aus verschiedenen Abschnitten, die jeweils spezifische Funktionen erfüllen. Die Hauptbestandteile einer Nervenzelle sind:
- Soma (Zellkörper): Das Soma ist der zentrale Teil der Nervenzelle, der den Zellkern und die meisten Zellorganellen enthält.
- Dendriten: Dendriten sind kurze, verzweigte Fortsätze, die vom Soma ausgehen. Sie empfangen Signale von anderen Nervenzellen und leiten sie zum Soma weiter.
- Axon: Das Axon ist ein langer, dünner Fortsatz, der vom Soma ausgeht. Seine Aufgabe ist die Weiterleitung von elektrischen Signalen (Aktionspotentialen) zu anderen Nervenzellen oder Muskelzellen.
- Axonhügel: Der Axonhügel ist der Übergangsbereich zwischen dem Soma und dem Axon. Hier werden die von den Dendriten empfangenen Signale gesammelt und entschieden, ob ein Aktionspotential ausgelöst wird.
- Myelinscheide: Viele Axone sind von einer Myelinscheide umgeben, einer isolierenden Schicht, die die Geschwindigkeit der Signalweiterleitung erhöht. Die Myelinscheide wird von Gliazellen gebildet, den Schwannschen Zellen (im peripheren Nervensystem) oder den Oligodendrozyten (im zentralen Nervensystem).
- Ranviersche Schnürringe: Die Myelinscheide ist nicht durchgängig, sondern wird in regelmäßigen Abständen von Ranvierschen Schnürringen unterbrochen. An diesen Stellen ist das Axon nicht isoliert, was die saltatorische Erregungsleitung ermöglicht.
- Synaptische Endknöpfchen: Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endknöpfchen, die Kontakt zu anderen Nervenzellen oder Muskelzellen herstellen. An den Synapsen werden die elektrischen Signale in chemische Signale umgewandelt, um die Erregung auf die nächste Zelle zu übertragen.
Das Soma (Zellkörper)
Das Soma ist der eigentliche Zellkörper der Nervenzelle und enthält den Zellkern, der das Erbgut der Zelle trägt und schützt. Außerdem befinden sich im Soma zahlreiche Organellen wie Mitochondrien, der Golgi-Apparat und das endoplasmatische Retikulum, die für die Energieversorgung und Proteinsynthese der Zelle verantwortlich sind.
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Die vielen Mitochondrien im Soma sind für die Energieversorgung der Nervenzelle unerlässlich, da Nervenzellen Schwerstarbeit leisten und viel Energie in Form von ATP benötigen. Raues ER und Golgi-Apparat sind ebenfalls stark ausgeprägt, was auf eine sehr intensive Proteinbiosynthese hindeutet.
Die Dendriten
Die Dendriten sind stark verästelte Ausläufer des Somas, die wie Antennen fungieren und Signale von anderen Nervenzellen empfangen. Sie bilden Synapsen mit anderen vorgeschalteten Zellen, entweder mit Nervenzellen oder mit Sinneszellen. Eine einzelne Nervenzelle kann über ihre Dendriten mit über 1.000 anderen Nervenzellen verbunden sein und Informationen von diesen Zellen empfangen und verarbeiten.
Es gibt basale Dendriten, die direkt vom Soma ausgehen, und apikale Dendriten, die aus anderen Dendriten weiter entfernt vom Soma abzweigen. Die Dendriten leiten die empfangenen Signale zum Soma weiter, wo sie verrechnet und verarbeitet werden.
Das Axon
Das Axon ist ein langer, dünner Fortsatz, der vom Soma ausgeht und zur Weiterleitung von Aktionspotentialen dient. Es kann bis zu einem Meter lang sein und ist oft von einer Myelinscheide umgeben, die die Geschwindigkeit der Signalweiterleitung erhöht.
Die Myelinscheide besteht aus einzelnen Schwannschen Zellen (im peripheren Nervensystem) oder Oligodendrozyten (im zentralen Nervensystem), die sich um das Axon wickeln und nur kurze Bereiche frei lassen, die Ranvierschen Schnürringe. Nervenzellen, deren Axon von einer solchen Myelinscheide umgeben ist, werden auch als markhaltige Nervenzellen oder markhaltige Nervenfasern bezeichnet.
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Der Axonhügel
Der Axonhügel ist das Übergangsstück zwischen dem Soma und dem Axon. Hier werden die von den Dendriten empfangenen Signale gesammelt und summiert, bis eine bestimmte Schwelle (Schwellenpotential) überschritten wird. Erst dann wird ein Signal an das Axon weitergeleitet.
Der Axonhügel spielt eine wichtige Rolle bei der Informationsverarbeitung der Nervenzelle, da er verhindert, dass unser Körper jedes kleinste Signal weiterleitet. Nur wenn die Summe der eingehenden Signale stark genug ist, wird ein Aktionspotential ausgelöst.
Die Myelinscheide und die Ranvierschen Schnürringe
Die Myelinscheide ist eine lipidreiche Schicht, die das Axon umwickelt und es vor Beschädigungen schützt. Sie dient auch als elektrische Isolierung und erhöht die Geschwindigkeit der Signalweiterleitung. Die Myelinscheide wird von Gliazellen gebildet, den Schwannschen Zellen (im peripheren Nervensystem) oder den Oligodendrozyten (im zentralen Nervensystem).
Die Myelinscheide ist nicht durchgängig, sondern wird in regelmäßigen Abständen von Ranvierschen Schnürringen unterbrochen. An diesen Stellen ist das Axon nicht isoliert, was die saltatorische Erregungsleitung ermöglicht. Bei der saltatorischen Erregungsleitung springt das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring, was die Geschwindigkeit der Signalweiterleitung erheblich erhöht.
Die Synaptischen Endknöpfchen und die Synapsen
Am Ende des Axons befinden sich die synaptischen Endknöpfchen, die Kontakt zu anderen Nervenzellen, Muskelzellen oder Drüsenzellen herstellen. Die Verbindungsstellen zwischen zwei Nervenzellen werden als Synapsen bezeichnet.
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Eine typische Synapse besteht aus dem synaptischen Endknöpfchen einer Nervenzelle, die an die Membran einer zweiten Nervenzelle, einer Muskelzelle oder einer Drüsenzelle angelagert ist. Zwischen der präsynaptischen Membran (der Membran des synaptischen Endknöpfchens) und der postsynaptischen Membran (der Membran der Empfängerzelle) befindet sich der synaptische Spalt.
Das synaptische Endknöpfchen ist gefüllt mit synaptischen Vesikeln, kleinen membranumgebene Bläschen, die Neurotransmitter enthalten. Neurotransmitter sind chemische Substanzen, die in den synaptischen Spalt entlassen werden können und dann mit Proteinen der postsynaptischen Membran reagieren, um die Erregung auf die nächste Zelle zu übertragen.
Die Funktion der Nervenzelle: Reizweiterleitung
Die Hauptaufgabe der Nervenzelle ist die Weiterleitung von Reizen. Dieser Prozess lässt sich in folgende Schritte unterteilen:
- Reizaufnahme: Die Dendriten der Nervenzelle nehmen einen Reiz auf, beispielsweise eine Berührung, ein Geräusch oder ein Lichtsignal.
- Signalweiterleitung zum Soma: Die Dendriten leiten den Reiz in Form eines elektrischen Signals zum Soma weiter.
- Aktionspotentialauslösung am Axonhügel: Am Axonhügel werden die eingehenden Signale gesammelt und summiert. Wenn die Summe der Signale einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird ein Aktionspotential ausgelöst.
- Signalweiterleitung entlang des Axons: Das Aktionspotential wird entlang des Axons weitergeleitet. Bei markhaltigen Nervenzellen springt das Aktionspotential von Ranvierschem Schnürring zu Ranvierschem Schnürring (saltatorische Erregungsleitung), was die Geschwindigkeit der Signalweiterleitung erhöht.
- Signalübertragung an der Synapse: Am Ende des Axons erreicht das Aktionspotential die synaptischen Endknöpfchen. Hier wird das elektrische Signal in ein chemisches Signal umgewandelt, indem Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt werden.
- Rezeptorbindung und Erregungsübertragung: Die Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran der Empfängerzelle. Die Bindung der Neurotransmitter an die Rezeptoren löst in der Empfängerzelle ein neues elektrisches Signal aus, das dann weitergeleitet wird.
Vielfalt der Nervenzellen
Es gibt über tausend verschiedene Arten von Nervenzellen, die jeweils auf bestimmte Bereiche spezialisiert sind. Sie können anhand ihrer Form in vier Kategorien eingeordnet werden. Nervenzellen finden sich im gesamten Körper, da sie für die Reizweiterleitung in sämtlichen Bereichen zuständig sind.
Synaptische Vesikel: Mehr als nur Speicher
Die synaptischen Vesikel sind keineswegs nur eine Art membranumhüllte „Konservendose“ zur Speicherung der Botenstoffe. In ihrer Membran befindet sich eine ganze Reihe von Proteinen, die sich seit Millionen von Jahren durch die Evolution kaum verändert haben. Eine Gruppe dieser Proteine, die Neurotransmitter-Transporter, ist dafür verantwortlich, die Botenstoffe aus dem Zellplasma in die Vesikel hineinzupumpen und dort anzureichern. Dazu ist viel Energie erforderlich. Diese wird von einem weiteren Proteinmolekül bereitgestellt, einer Protonen-ATPase (V-ATPase), die unter Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP) Protonen in die Vesikel hineinpumpt. Neben diesen für das „Auftanken“ erforderlichen Proteinen enthalten die Membranen synaptischer Vesikel weitere Komponenten, die dafür sorgen, dass die Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen können (darunter das SNARE-Protein Synaptobrevin und den Calcium-Sensor Synaptotagmin) und nach der Membranfusion wieder in das Nervenende zurücktransportiert werden.
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