Bau und Funktion von Nervenzellen

Eine Nervenzelle besteht aus verschiedenen Teilen, die alle wichtige Aufgaben erfüllen. Der Zellkörper enthält den Zellkern und regelt die Ionenkonzentration. Von ihm gehen verzweigte Dendrite aus, die Signale von anderen Zellen aufnehmen. Das lange Axon leitet elektrische Signale weiter bis zu den Endknöpfchen, die Kontakt zu anderen Zellen herstellen.

Der Transport im Axon erfolgt durch Motorproteine wie Kinesin und Dynein. Sie bewegen sich mit beeindruckenden 200-400 mm pro Tag entlang der Mikrotubuli und transportieren Vesikel zwischen Zellkörper und Axonende.

Für eine schnelle Signalleitung sind Gliazellen entscheidend. Im peripheren Nervensystem bilden die Schwann-Zellen die Myelinscheide, die das Axon isoliert. Zwischen den Myelinscheiden befinden sich die Ranvier-Schnürringe, die frei von der Hülle sind. Die Kombination aus Axon und Myelinscheide wird als Nervenfaser bezeichnet.

💡 Wusstest du? Nervenzellen sind besonders langlebig - sie können ein Leben lang bestehen bleiben und prägen unser Langzeitgedächtnis. Der Auf- und Abbau von Synapsen spiegelt dabei deine persönlichen Erfahrungen wider.

Das Membranpotential

Das Membranpotential ist eine elektrische Spannung über der Zellmembran, die durch unterschiedliche Ionenverteilungen zwischen dem Zellinneren und der äußeren Flüssigkeit entsteht. In einem einfachen Modellversuch kann man dieses Phänomen beobachten.

Taucht man eine Osmoseglocke mit Kalium-Ionen in destilliertes Wasser, baut sich eine Spannung auf. Die Kalium-Ionen zerfallen in positive Kalium-Ionen und negative Hydrogenoxalat-Ionen. Der chemische Gradient treibt die positiven Ionen nach außen, während der elektrische Gradient sie zurückhält. Nach dem Eintauchen misst man eine Spannung von -70 mV.

Das Ruhepotential

Das Ruhepotential ist das stabile Membranpotential einer Nervenzelle im Ruhezustand. Es entsteht durch eine ungleiche Ladungsverteilung an der Membran. Die Konzentration von Kalium-Ionen ist innerhalb des Axons höher als außen, während die Natrium- und Chlorid-Ionen außerhalb konzentrierter sind.

💡 Spannend: Das Ruhepotential wurde 1939 von Hodgkin und Huxley entdeckt, die für ihre Experimente ein 50-100 Mal dickeres Riesenaxon eines Tintenfisches verwendeten!

Durch spezielle Kalium-Ionenkanäle können Kalium-Ionen die Membran passieren. Wenn beide Gradienten – der chemische und der elektrische – im Gleichgewicht sind, entsteht ein Fließgleichgewicht mit konstanter Spannung von etwa -70 mV.

Das Ruhepotential (Fortsetzung)

Ohne die Natrium-Kalium-Ionenpumpe würde das Ruhepotential zusammenbrechen. Natrium-Ionen diffundieren durch den sogenannten Leckstrom entlang des elektrochemischen Gradienten ins Axon. Diese Pumpe arbeitet aktiv gegen diesen Ausgleich an.

Die Pumpe funktioniert in sechs Schritten: Zuerst bindet ein ATP-Molekül an den Carrier an der Innenseite des Axons. Nach vollständiger Besetzung wird ATP gespalten und der Carrier phosphoryliert. Dadurch verändert sich seine räumliche Struktur, und drei Natrium-Ionen werden nach außen geschleust. Dann besetzen zwei Kalium-Ionen die Bindungsstellen, der Phosphatrest wird abgespalten, und der Carrier nimmt wieder seine ursprüngliche Form ein. Die Kalium-Ionen werden nach innen abgegeben.

💡 Merke dir: Bei jedem Pumpenvorgang werden drei Natrium-Ionen nach außen und nur zwei Kalium-Ionen nach innen transportiert. Diese Ungleichheit trägt entscheidend zum Aufbau des Membranpotentials bei!

Die Natrium-Kalium-Ionenpumpe verbraucht ATP und ist daher ein aktiver Transportmechanismus. Sie sorgt dafür, dass die Ionenkonzentrationen stabil bleiben und das Ruhepotential aufrechterhalten wird – eine Grundvoraussetzung für die Funktion von Nervenzellen.

Die Ionenverteilung im Ruhepotential

Die Verteilung der Ionen ist entscheidend für das Ruhepotential. Natrium- und Chlorid-Ionen befinden sich fast ausschließlich außerhalb der Zelle, da die Membran bei -70 mV für sie nicht passierbar ist. Organische Anionen sind große Moleküle, die nur im Zellinneren vorkommen und die Membran nicht passieren können.

Die Kalium-Ionen können die Membran dagegen immer frei passieren. Es entsteht ein Gleichgewichtszustand bei -70 mV, bei dem das Konzentrationsgefälle (Diffusion nach außen) und die elektromotorische Kraft (Anziehung nach innen) sich ausgleichen.

Bei einer Depolarisierung wird das Ruhepotential positiver $z.B. von -70 mV auf -40 mV$, der Ladungsunterschied zwischen innen und außen wird kleiner. Bei einer Hyperpolarisierung wird es negativer $z.B. von -70 mV auf -85 mV$, und der Ladungsunterschied wird größer.

Das Aktionspotential

Das Aktionspotential durchläuft mehrere Phasen: Im Ruhepotential beträgt die Spannung -70 mV. Bei der Depolarisierung verringert sich die Spannung. Überschreitet sie den Schwellenwert von -40 mV, bricht das Membranpotential zusammen. In der Repolarisierungsphase wird das Membranpotential wiederaufgebaut, gefolgt von einer kurzen Hyperpolarisierung.

💡 Prüfungswissen: Das Aktionspotential folgt dem "Alles-oder-Nichts-Prinzip" – sobald der Schwellenwert überschritten ist, läuft es immer vollständig ab, unabhängig von der Reizstärke!

Das Aktionspotential (Fortsetzung)

Beim Aktionspotential fließen Ionen in einer bestimmten Reihenfolge durch die Membran. Wenn der Schwellenwert überschritten wird, öffnen sich die spannungsgesteuerten Natrium-Ionenkanäle. Natrium-Ionen strömen ins Axon und verstärken die Depolarisierung, da sich immer mehr Kanäle öffnen.

Nach wenigen Millisekunden schließen sich die Natrium-Kanäle automatisch. Mit Verzögerung öffnen sich dann die Kalium-Ionenkanäle, wodurch Kalium-Ionen aus dem Axon herausströmen. Dies führt zur Repolarisierung, gefolgt von einer kurzen Hyperpolarisierung. In der Refraktärphase sind die Natrium-Kanäle inaktiviert, und erst wenn das Ruhepotential wiederhergestellt ist, kann ein neues Aktionspotential ausgelöst werden.

Erregungsleitung

Es gibt zwei Arten der Erregungsleitung: Die kontinuierliche Erregungsleitung ist langsam $1 m/s$ und steuert meist innere Organe. Ausgleichsströme depolarisieren die Nachbarbereiche, wodurch sich Aktionspotentiale ohne Abschwächung ausbreiten.

Die saltatorische Erregungsleitung ist wesentlich schneller $80-120 m/s$ und steuert hauptsächlich den Bewegungsapparat. Hier isoliert die Myelinscheide das Axon, und die Aktionspotentiale "springen" von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten. Diese effiziente Methode der Signalweiterleitung ist typisch für Wirbeltiere.

💡 Für die Klausur: Die saltatorische Erregungsleitung ist etwa 80-120 Mal schneller als die kontinuierliche Leitung! Dieser Geschwindigkeitsvorteil ermöglicht uns schnelle Reaktionen wie Reflexe.