Ionentheorie der Erregungsbildung

Die Ionentheorie der Erregung beschreibt, wie Nervenzellen durch Änderungen der Ionenverteilung an der Zellmembran elektrisch aktiv werden. Diese elektrische Aktivität ist die Basis für die Signalübertragung im Nervensystem.

Bei der Erregung in der Biologie unterscheidet man zwischen zwei wichtigen Zuständen: dem Ruhepotential (wenn die Nervenzelle nicht aktiv ist) und dem Aktionspotential (wenn die Nervenzelle ein Signal weiterleitet).

💡 Merke: Das Ruhepotential ist negativ (ca. -70 mV), während beim Aktionspotential kurzzeitig eine Umpolung auf positive Werte stattfindet!

Messung von Membranpotentialen

Mit Hilfe von speziellen Elektroden können wir die elektrische Spannung zwischen dem Zellinneren und der Umgebung messen. Die Kapillarelektrode wird ins Zellinnere eingeführt, während die Bezugselektrode in der Flüssigkeit außerhalb der Zelle platziert wird.

Ein Oszilloskop zeigt dann die gemessene Spannung an. Bei einer ungereizten Nervenzelle misst man ein stabiles Ruhepotential von etwa -70 mV.

Diese Messmethode ermöglicht es uns, die elektrischen Eigenschaften von Nervenzellen zu untersuchen und zu verstehen, wie Erregung in der Biologie funktioniert.

Das Ruhepotential

Das Ruhepotential entsteht durch eine ungleiche Verteilung von Ionen beiderseits der Zellmembran. Im äußeren Milieu befinden sich viele Natrium-Ionen (Na⁺, 120-130 mmol/l), während im Zellinneren viele Kalium-Ionen (K⁺, 120-155 mmol/l) vorherrschen.

Die Zellmembran enthält verschiedene Proteine, die für den Ionentransport wichtig sind: geschlossene spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle, spannungsgesteuerte K⁺-Kanäle, ständig geöffnete K⁺-Sickerkanäle und die wichtige Natrium-Kalium-Pumpe.

Im Ruhezustand ist die Membraninnenseite negativ geladen (-70 mV) im Vergleich zur Außenseite. Dies liegt hauptsächlich an negativ geladenen Proteinen im Zellinneren und der selektiven Durchlässigkeit der Membran für bestimmte Ionen.

💡 Tipp: Merke dir die Ionenverteilung: Außen viel Na⁺, innen viel K⁺ - das ist die Grundlage für das elektrische Potential der Nervenzelle!

Aufbau des Ruhepotentials

Das Ruhepotential entsteht durch ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Faktoren. Die Na⁺-Konzentration ist außen höher als innen, aber die Na⁺-Kanäle sind geschlossen, sodass kaum Na⁺-Ionen ins Zellinnere gelangen können.

Die K⁺-Konzentration ist innen höher als außen. K⁺-Ionen können durch ständig geöffnete Sickerkanäle nach außen diffundieren. Gleichzeitig werden sie durch die negative Ladung im Zellinneren (negative Proteinanionen) zurückgehalten.

Die Natrium-Kalium-Pumpe sorgt für die Aufrechterhaltung des Ionenungleichgewichts. Sie transportiert aktiv unter ATP-Verbrauch 3 Na⁺-Ionen aus der Zelle hinaus und 2 K⁺-Ionen ins Zellinnere hinein. Dieses Natrium-Kalium-Verhältnis von 3:2 ist entscheidend für die Funktion des Neurons.

💡 Wichtig: Würde die Na⁺/K⁺-Pumpe blockiert, käme es zum Zusammenbruch des Ruhepotentials und die Nervenzelle könnte keine Signale mehr übertragen!

Das Aktionspotential

Ein Aktionspotential entsteht, wenn ein überschwelliger Reiz auf eine Nervenzelle im Ruhezustand trifft oder wenn eine Depolarisation vom benachbarten Membranabschnitt übergreift. Es stellt die eigentliche Erregung in der Biologie dar.

Bei einer Depolarisation öffnen sich spannungsgesteuerte Na⁺-Ionenkanäle, wodurch Na⁺-Ionen ins Zellinnere strömen. Etwas verzögert öffnen sich auch spannungsgesteuerte K⁺-Kanäle, wodurch K⁺-Ionen nach außen diffundieren.

Diese Ionenbewegungen führen zu einer Ladungsumkehr an der Membran: Die Innenseite wird kurzzeitig positiv (ca. +40 mV), während die Außenseite negativ geladen ist. Diese Spannungsänderung ist das eigentliche Signal, das entlang des Neurons weitergeleitet wird.

💡 Merke: Die Reizstärke und Reizdauer beeinflussen, ob ein Aktionspotential ausgelöst wird, aber nicht dessen Amplitude - es gilt das Alles-oder-Nichts-Prinzip!

Verlauf des Aktionspotentials

Der typische Verlauf eines Aktionspotentials lässt sich in einem Diagramm darstellen, bei dem die Membranspannung gegen die Zeit aufgetragen wird. Der gesamte Prozess dauert nur wenige Millisekunden (Aktionspotential Dauer: etwa 1-2 ms).

Zunächst liegt das Neuron im Ruhepotential bei etwa -70 mV. Wenn ein Reiz den Schwellenwert (ca. -55 mV) überschreitet, kommt es zur schnellen Depolarisation bis auf +30 mV. Anschließend folgt die Repolarisation, bei der das Potential wieder abfällt.

Typischerweise kommt es danach zu einer kurzen Hyperpolarisation, bei der das Membranpotential kurzzeitig unter den Ruhewert sinkt (bis etwa -90 mV), bevor es zum normalen Ruhepotential zurückkehrt.

💡 Wichtig für Klausuren: Die verschiedenen Aktionspotential Phasen (Depolarisation, Repolarisation, Hyperpolarisation) musst du genau beschreiben können!

Phasen eines Aktionspotentials

Das Aktionspotential lässt sich in vier charakteristische Aktionspotential Phasen unterteilen:

A) Ruhepotential und Überschreiten der Reizschwelle: Die Zelle befindet sich zunächst im Ruhezustand (-70 mV). Ein Reiz muss stark genug sein, um die Reizschwelle zu überschreiten.

B) Depolarisation: Spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle öffnen sich, Na⁺-Ionen strömen ins Zellinnere. Die Spannung steigt schnell auf etwa +35 mV an. Dies ist die eigentliche Erregung in der Biologie.

C) Repolarisation: Die Na⁺-Kanäle werden inaktiviert, während sich K⁺-Kanäle öffnen. K⁺-Ionen strömen aus der Zelle hinaus, was zur Wiederherstellung des negativen Potentials führt.

D) Hyperpolarisation: Durch den verstärkten K⁺-Ausstrom wird die Membran kurzzeitig stärker negativ als im Ruhezustand.

💡 Tipp: Die Aktionspotential Ionenströme sind das Herzstück des Ganzen - Na⁺ rein, K⁺ raus, so merkst du dir die Grundprinzipien!

Ionenströme während des Aktionspotentials

A) Ruhepotential: Die Na⁺-Konzentration ist außen höher als innen, die K⁺-Konzentration innen höher als außen. Die Membranspannung beträgt -70 mV.

B) Depolarisation: Spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle öffnen sich, Na⁺-Ionen strömen in die Zelle ein. Die Membranspannung steigt auf +40 mV. Dieser Natrium-Kalium-Austausch ist entscheidend für das Aktionspotential im Skelettmuskel und anderen erregbaren Zellen.

C) Repolarisation: Die Na⁺-Kanäle werden inaktiviert, K⁺-Kanäle öffnen sich. K⁺-Ionen strömen aus der Zelle hinaus, wodurch die Spannung wieder auf -70 mV abfällt.

D) Hyperpolarisation: Der verstärkte K⁺-Ausstrom führt zu einer Spannung von etwa -90 mV. Schließlich werden die K⁺-Kanäle inaktiviert.

E) Wiederherstellung des Ruhepotentials: Die Natrium-Kalium-Pumpe arbeitet unter ATP-Verbrauch, um das ursprüngliche Ionenungleichgewicht wiederherzustellen.

💡 Merke: Die Natrium-Kalium-Pumpe ist nicht nur in Nervenzellen, sondern auch im Herz und in der Niere von großer Bedeutung!

Ausbildung eines Aktionspotentials

Das Aktionspotential beginnt, wenn ein überschwelliger Reiz auf ein Neuron im Ruhezustand trifft und die Reizschwelle (etwa -55 mV) überschritten wird. Dies leitet die Depolarisation ein.

Bei der Depolarisation öffnen sich spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle, und Na⁺-Ionen strömen ins Zellinnere. Diese Depolarisation verstärkt sich selbst, da weitere Na⁺-Kanäle geöffnet werden. Letztendlich erreicht die Depolarisation einen Wert von etwa +40 mV.

Ein wichtiges Prinzip ist das Alles-oder-Nichts-Gesetz: Entweder wird ein vollständiges Aktionspotential ausgelöst oder gar keines. Die Amplitude des Aktionspotentials ist unabhängig von der Reizstärke, solange die Reizschwelle überschritten wird.

💡 Prüfungstipp: Ein überschwelliger Reiz löst immer ein volles Aktionspotential aus, egal wie stark der Reiz ist. Die Reizstärke und Reizdauer beeinflussen nur, ob die Reizschwelle überhaupt erreicht wird!

Repolarisation und Hyperpolarisation

Nach der Depolarisation folgt die Repolarisation. Die Na⁺-Kanäle schließen sich trotz anhaltender Depolarisation schnell wieder, während sich die K⁺-Kanäle verzögert öffnen (erst nach dem maximalen Na⁺-Einstrom).

K⁺-Ionen strömen aus der Zelle hinaus, bis ein Konzentrationsausgleich erreicht ist. Dies führt zunächst zur Repolarisation bis zum Ruhepotential (-70 mV) und anschließend zur Hyperpolarisation auf etwa -90 mV.

Die Hyperpolarisation entsteht, weil K⁺-Ionen stärker aus der Zelle ausströmen als für das Ruhepotential nötig wäre. Der Grund dafür ist der starke elektrochemische Gradient für K⁺-Ionen zu diesem Zeitpunkt.

💡 Wichtig: Die Hyperpolarisation ist eine Art "Sicherheitsphase", in der die Nervenzelle kurzzeitig weniger erregbar ist - dies verhindert, dass Signale in die falsche Richtung laufen!