Saltatorische Erregungsleitung bei Wirbeltieren

Die saltatorische Erregungsleitung ist ein hocheffizienter Mechanismus zur schnellen Weiterleitung von Aktionspotentialen in myelinisierten Nervenfasern bei Wirbeltieren. Dieser Prozess ermöglicht eine deutlich schnellere Signalübertragung als die kontinuierliche Erregungsleitung in unmyelinisierten Axonen.

Der Ablauf der saltatorischen Erregungsleitung lässt sich in mehrere Schritte unterteilen:

1. An den Ranvier'schen Schnürringen, den Lücken zwischen den Myelinscheiden, öffnen sich spannungsgesteuerte Na+-Kanäle und erzeugen ein Aktionspotential.

2. Die Myelinscheide isoliert das Axon elektrisch, sodass sich ein depolarisierender Strom schnell durch lokale Ladungsverschiebung (Waggon-Effekt) von einem Schnürring zum nächsten ausbreiten kann.

3. Am nächsten Schnürring wird der Schwellenwert schneller erreicht als bei unmyelinisierten Axonen, wodurch das Aktionspotential scheinbar von Schnürring zu Schnürring "springt".

4. Nach etwa 1 ms schließen die Na+-Kanäle ihre Inaktivierungstore und werden refraktär. Gleichzeitig öffnen sich spannungsgesteuerte K+-Kanäle und repolarisieren die Membran.

Example: Die saltatorische Erregungsleitung kann mit einem Steinwurf über eine Wasseroberfläche verglichen werden. Wie der Stein, der nur an bestimmten Punkten das Wasser berührt, "springt" das Aktionspotential von einem Schnürring zum nächsten.

Die Myelinscheide spielt eine entscheidende Rolle bei der Effizienz dieses Prozesses:

1. Sie steigert die Geschwindigkeit der Erregungsleitung erheblich.
2. Sie spart Energie, da im Bereich der Myelinscheide keine Ionenkanäle und Na+-K+-Pumpen benötigt werden.

Highlight: Die Myelinisierung ermöglicht nicht nur eine schnellere Signalübertragung, sondern auch eine erhebliche Energieeinsparung für die Nervenzelle.

Im Bereich der Myelinscheide hat das Axon keinen direkten Kontakt zum Außenmedium. Dadurch können in diesen isolierten Bereichen keine Ionen fließen, was den Einbau von Ionenkanälen und Pumpen überflüssig macht. Dies spart nicht nur Energie bei der Proteinproduktion, sondern auch ATP, das sonst für den Betrieb der Na+-K+-Pumpe benötigt würde.

Vocabulary: Myelinscheide - Eine isolierende Schicht aus Lipiden und Proteinen, die das Axon umgibt und die Erregungsleitung beschleunigt.

Die saltatorische Erregungsleitung ist somit ein Paradebeispiel für die evolutionäre Optimierung der Signalübertragung im Nervensystem, die sowohl Geschwindigkeit als auch Energieeffizienz maximiert.

Das Ruhepotential der Nervenzelle

Das Ruhepotential ist ein fundamentaler Zustand der Nervenzelle, der durch die ungleiche Verteilung von Ionen zwischen dem Zellinneren und dem Außenmedium entsteht. Die selektiv permeable Membran spielt hierbei eine entscheidende Rolle.

Die Membran ist für verschiedene Ionen unterschiedlich durchlässig. Sie ist nahezu undurchlässig für große Anionen (A-) im Zellinneren, wenig durchlässig für Natrium- (Na+) und Chlorid-Ionen (Cl-), aber sehr durchlässig für Kalium-Ionen (K+). Diese selektive Permeabilität wird durch spezifische Ionenkanäle in der Membran ermöglicht.

Vocabulary: Selektiv permeable Membran - Eine Membran, die bestimmte Stoffe passieren lässt, während sie andere zurückhält.

Die hohe Durchlässigkeit für K+-Ionen führt zu einem Konzentrationsgradienten. K+-Ionen diffundieren entlang dieses Gradienten aus der Zelle heraus, was zu einem Überschuss positiver Ladungen im Außenmedium und einem Überschuss negativer Ladungen im Zellinneren führt. Dies erzeugt eine Spannung von etwa -70 mV, das Ruhemembranpotential.

Definition: Das Ruhepotential ist die elektrische Spannung zwischen dem Zellinneren und dem Außenmedium einer Nervenzelle im Ruhezustand, typischerweise etwa -70 mV.

Die Verteilung der K+-Ionen wird nicht nur durch den Konzentrationsgradienten, sondern auch durch das elektrische Potential beeinflusst. Der Überschuss positiver Ladungen außen und negativer Ladungen innen hält die K+-Ionen in einem Gleichgewicht.

Na+-Ionen spielen ebenfalls eine Rolle beim Ruhepotential. Durch teilweise geöffnete Na+-Kanäle diffundieren einige Na+-Ionen ins Zellinnere, angezogen vom Überschuss negativer Ladungen der A--Ionen.

Highlight: Die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials ist ein dynamischer Prozess, bei dem der Einstrom jedes Na+-Ions den Ausstrom eines K+-Ions begünstigt.

Ohne aktive Mechanismen würde das Ruhepotential mit der Zeit zusammenbrechen, da sich die Konzentrationen von Na+- und K+-Ionen ausgleichen würden. Um dies zu verhindern, spielt die Natrium-Kalium-Pumpe eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials.