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Aktionspotential Einfach Erklärt für Kids: Phasen, Ionenströme und Schwellenwerte

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Franzi

22.5.2021

Biologie

Neurobiologie

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Erregungsleitung

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Natrium kalium pumpe

Aktionspotential Einfach Erklärt für Kids: Phasen, Ionenströme und Schwellenwerte

Das Aktionspotential ist ein grundlegender Mechanismus der Erregungsleitung in Nervenzellen. Es ermöglicht die schnelle Informationsübertragung im Nervensystem durch elektrische Signale. Der Ablauf eines Aktionspotentials umfasst mehrere Phasen und wird durch Ionenströme über die Zellmembran gesteuert.

• Das Ruhepotential der Nervenzelle liegt bei etwa -70 mV
• Bei Reizung öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle
• Der Natriumeinstrom führt zur Depolarisation der Membran
• Es folgt eine kurze Überschießung (Overshoot) ins Positive
• Anschließend repolarisiert sich die Membran durch Kaliumausstrom
• Das Alles-oder-Nichts-Prinzip bestimmt die Auslösung des Aktionspotentials

Tetrodotoxin (TTX) ist ein starkes Nervengift, das die Natriumkanäle blockiert und so die Erregungsleitung unterbindet. Es wird von Kugelfischen produziert und kann beim Menschen bereits in geringen Dosen tödlich wirken.

...

22.5.2021

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C 1 2 3 Zu den Grundeigenschaften des Lebens zählen neben der Erregbarkeit u. a. der Stoffwechsel, die Fortpflanzung und die Entwicklung. Di

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Tetrodotoxin und seine Wirkung auf das Nervensystem

Tetrodotoxin (TTX) ist ein hochpotentes Nervengift, das aus den Keimdrüsen von Kugelfischen (Tetrodontidae) gewonnen wird. Es hat eine dramatische Wirkung auf die Erregbarkeit von Nervenfasern.

Definition: Tetrodotoxin (TTX) - Ein starkes Nervengift, das die spannungsgesteuerten Natriumkanäle in Nervenzellen blockiert

Hauptwirkungen von Tetrodotoxin:

  1. Blockade der Natriumkanäle: TTX bindet spezifisch an die Natriumkanäle und verhindert so den Einstrom von Natriumionen in die Zelle.

  2. Unterbindung der Aktionspotential-Entstehung: Ohne den Natriumeinstrom kann kein Aktionspotential ausgelöst werden.

  3. Lähmung des Nervensystems: Die Blockade der Erregungsleitung führt zu Lähmungserscheinungen.

  4. Potentiell tödliche Wirkung: Bereits 8-10 mg können für einen Menschen tödlich sein.

Highlight: Die Tetrodotoxin Wirkung auf den Menschen kann bei Unterdosierung zu einem Scheintod-ähnlichen Zustand führen, was in der Voodoo-Kultur ausgenutzt wurde.

Example: In Haiti nutzten Voodoo-Priester das TTX, um Menschen in einen todesähnlichen Zustand zu versetzen und sie als "Zombies" erscheinen zu lassen.

C 1 2 3 Zu den Grundeigenschaften des Lebens zählen neben der Erregbarkeit u. a. der Stoffwechsel, die Fortpflanzung und die Entwicklung. Di

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Entstehung und Ablauf eines Aktionspotentials

Das Aktionspotential ist ein kurzzeitiger Spannungsimpuls an der Zellmembran von Nervenzellen, der zur Informationsübertragung dient. Der Ablauf eines Aktionspotentials lässt sich in mehrere Aktionspotential Phasen unterteilen:

  1. Ruhezustand:

    • Membranpotential liegt bei etwa -70 mV (Innenseite negativ)
    • Hohe Kaliumkonzentration innen, hohe Natriumkonzentration außen

  2. Depolarisation:

    • Reiz öffnet spannungsgesteuerte Natriumkanäle
    • Natriumionen strömen in die Zelle ein
    • Membranpotential wird positiver (Depolarisation)

  3. Schwellenwert und Auslösung:

    • Bei Erreichen des Schwellenwert Aktionspotentials (ca. -55 mV) öffnen sich schlagartig weitere Natriumkanäle
    • Alles-oder-Nichts-Prinzip Aktionspotential: Entweder vollständige Auslösung oder gar keine Reaktion

  4. Aufstrich und Overshoot:

    • Massiver Natriumeinstrom führt zu weiterer Depolarisation
    • Kurzfristige Umkehrung des Membranpotentials auf +30 mV (Overshoot Aktionspotential)

  5. Repolarisation:

    • Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich
    • Kaliumausstrom führt zur Wiederherstellung des negativen Membranpotentials

  6. Hyperpolarisation:

    • Kurzzeitiges Unterschreiten des Ruhepotentials
    • Natriumkanäle in refraktärem Zustand (nicht erregbar)

Vocabulary: Depolarisation Aktionspotential - Abnahme der negativen Ladung an der Innenseite der Zellmembran

Highlight: Die Weiterleitung Aktionspotential erfolgt bei myelinisierten Axonen sprunghaft von einem Ranvier'schen Schnürring zum nächsten (saltatorische Erregungsleitung).

C 1 2 3 Zu den Grundeigenschaften des Lebens zählen neben der Erregbarkeit u. a. der Stoffwechsel, die Fortpflanzung und die Entwicklung. Di

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Wiederherstellung und Aufrechterhaltung des Ruhepotentials

Nach einem Aktionspotential muss das Ruhepotential wiederhergestellt und aufrechterhalten werden. Dies geschieht durch folgende Mechanismen:

  1. Natrium-Kalium-Pumpe:

    • Aktiver Transport von Natriumionen aus der Zelle und Kaliumionen in die Zelle
    • Verbraucht Energie in Form von ATP
    • Stellt die ursprünglichen Ionenkonzentrationen wieder her

  2. Kaliumkanäle:

    • Bleiben nach dem Aktionspotential länger geöffnet
    • Kaliumausstrom führt zur Hyperpolarisation
    • Trägt zur Wiederherstellung des negativen Ruhepotentials bei

  3. Ionengradienten:

    • Unterschiedliche Ionenkonzentrationen innen und außen erzeugen elektrochemische Gradienten
    • Diese Gradienten sind die Grundlage für das Ruhepotential

  4. Selektive Permeabilität der Membran:

    • Im Ruhezustand ist die Membran hauptsächlich für Kaliumionen durchlässig
    • Trägt zur Aufrechterhaltung des negativen Ruhepotentials bei

Definition: Ruhepotential - Das elektrische Potential einer Nervenzelle im nicht erregten Zustand, typischerweise bei etwa -70 mV

Highlight: Die Refraktärzeit Aktionspotential ist die Phase nach einem Aktionspotential, in der die Zelle vorübergehend nicht oder nur eingeschränkt erregbar ist. Sie dient der Wiederherstellung des Ruhezustands und verhindert eine rückläufige Erregungsausbreitung.

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Vergleich von pflanzlichen und menschlichen Aktionspotentialen

Auch Pflanzen können elektrophysiologische Prozesse zur Informationsübertragung nutzen, wie am Beispiel der fleischfressenden Wasserfalle (Aldrovanda vesiculosa) deutlich wird. Ein Vergleich der Aktionspotentiale bei Pflanzen und menschlichen Neuronen zeigt interessante Unterschiede und Gemeinsamkeiten:

  1. Dauer:

    • Pflanzliche Aktionspotentiale dauern deutlich länger (mehrere Sekunden) als die der menschlichen Neuronen (wenige Millisekunden)
    • Bei der Wasserpflanze erstreckt sich das Aktionspotential über etwa 15 Sekunden

  2. Amplitude:

    • Die Spannungsänderung bei Pflanzen ist geringer (ca. 60 mV) als bei menschlichen Neuronen (ca. 100 mV)
    • Das Overshoot bei Pflanzen erreicht nur etwa +20 mV, während es bei menschlichen Neuronen bis zu +40 mV betragen kann

  3. Verlauf:

    • Beide zeigen eine schnelle Depolarisation gefolgt von einer langsameren Repolarisation
    • Bei Pflanzen ist die Repolarisationsphase deutlich ausgedehnter

  4. Funktion:

    • In beiden Fällen dienen Aktionspotentiale der Signalübertragung und Auslösung von Reaktionen
    • Bei der Wasserfalle führt das Aktionspotential zum Zusammenklappen der Blättchen zum Beutefang

Example: Die Wasserfalle Aldrovanda vesiculosa nutzt Aktionspotentiale, um bei Berührung ihrer Blätter durch Beutetiere eine schnelle Fangreaktion auszulösen.

Highlight: Obwohl pflanzliche Aktionspotentiale langsamer verlaufen, erfüllen sie ähnliche Funktionen wie bei Tieren und ermöglichen schnelle Reaktionen auf Umweltreize.

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Das Aktionspotential ist ein grundlegender Mechanismus der Erregungsleitung in Nervenzellen. Es ermöglicht die schnelle Informationsübertragung im Nervensystem durch elektrische Signale. Der Ablauf eines Aktionspotentials umfasst mehrere Phasen und wird durch Ionenströme über die Zellmembran gesteuert.

• Das Ruhepotential der Nervenzelle liegt bei etwa -70 mV
• Bei Reizung öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle
• Der Natriumeinstrom führt zur Depolarisation der Membran
• Es folgt eine kurze Überschießung (Overshoot) ins Positive
• Anschließend repolarisiert sich die Membran durch Kaliumausstrom
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Tetrodotoxin und seine Wirkung auf das Nervensystem

Tetrodotoxin (TTX) ist ein hochpotentes Nervengift, das aus den Keimdrüsen von Kugelfischen (Tetrodontidae) gewonnen wird. Es hat eine dramatische Wirkung auf die Erregbarkeit von Nervenfasern.

Definition: Tetrodotoxin (TTX) - Ein starkes Nervengift, das die spannungsgesteuerten Natriumkanäle in Nervenzellen blockiert

Hauptwirkungen von Tetrodotoxin:

  1. Blockade der Natriumkanäle: TTX bindet spezifisch an die Natriumkanäle und verhindert so den Einstrom von Natriumionen in die Zelle.

  2. Unterbindung der Aktionspotential-Entstehung: Ohne den Natriumeinstrom kann kein Aktionspotential ausgelöst werden.

  3. Lähmung des Nervensystems: Die Blockade der Erregungsleitung führt zu Lähmungserscheinungen.

  4. Potentiell tödliche Wirkung: Bereits 8-10 mg können für einen Menschen tödlich sein.

Highlight: Die Tetrodotoxin Wirkung auf den Menschen kann bei Unterdosierung zu einem Scheintod-ähnlichen Zustand führen, was in der Voodoo-Kultur ausgenutzt wurde.

Example: In Haiti nutzten Voodoo-Priester das TTX, um Menschen in einen todesähnlichen Zustand zu versetzen und sie als "Zombies" erscheinen zu lassen.

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Entstehung und Ablauf eines Aktionspotentials

Das Aktionspotential ist ein kurzzeitiger Spannungsimpuls an der Zellmembran von Nervenzellen, der zur Informationsübertragung dient. Der Ablauf eines Aktionspotentials lässt sich in mehrere Aktionspotential Phasen unterteilen:

  1. Ruhezustand:

    • Membranpotential liegt bei etwa -70 mV (Innenseite negativ)
    • Hohe Kaliumkonzentration innen, hohe Natriumkonzentration außen

  2. Depolarisation:

    • Reiz öffnet spannungsgesteuerte Natriumkanäle
    • Natriumionen strömen in die Zelle ein
    • Membranpotential wird positiver (Depolarisation)

  3. Schwellenwert und Auslösung:

    • Bei Erreichen des Schwellenwert Aktionspotentials (ca. -55 mV) öffnen sich schlagartig weitere Natriumkanäle
    • Alles-oder-Nichts-Prinzip Aktionspotential: Entweder vollständige Auslösung oder gar keine Reaktion

  4. Aufstrich und Overshoot:

    • Massiver Natriumeinstrom führt zu weiterer Depolarisation
    • Kurzfristige Umkehrung des Membranpotentials auf +30 mV (Overshoot Aktionspotential)

  5. Repolarisation:

    • Natriumkanäle schließen sich, Kaliumkanäle öffnen sich
    • Kaliumausstrom führt zur Wiederherstellung des negativen Membranpotentials

  6. Hyperpolarisation:

    • Kurzzeitiges Unterschreiten des Ruhepotentials
    • Natriumkanäle in refraktärem Zustand (nicht erregbar)

Vocabulary: Depolarisation Aktionspotential - Abnahme der negativen Ladung an der Innenseite der Zellmembran

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Wiederherstellung und Aufrechterhaltung des Ruhepotentials

Nach einem Aktionspotential muss das Ruhepotential wiederhergestellt und aufrechterhalten werden. Dies geschieht durch folgende Mechanismen:

  1. Natrium-Kalium-Pumpe:

    • Aktiver Transport von Natriumionen aus der Zelle und Kaliumionen in die Zelle
    • Verbraucht Energie in Form von ATP
    • Stellt die ursprünglichen Ionenkonzentrationen wieder her

  2. Kaliumkanäle:

    • Bleiben nach dem Aktionspotential länger geöffnet
    • Kaliumausstrom führt zur Hyperpolarisation
    • Trägt zur Wiederherstellung des negativen Ruhepotentials bei

  3. Ionengradienten:

    • Unterschiedliche Ionenkonzentrationen innen und außen erzeugen elektrochemische Gradienten
    • Diese Gradienten sind die Grundlage für das Ruhepotential

  4. Selektive Permeabilität der Membran:

    • Im Ruhezustand ist die Membran hauptsächlich für Kaliumionen durchlässig
    • Trägt zur Aufrechterhaltung des negativen Ruhepotentials bei

Definition: Ruhepotential - Das elektrische Potential einer Nervenzelle im nicht erregten Zustand, typischerweise bei etwa -70 mV

Highlight: Die Refraktärzeit Aktionspotential ist die Phase nach einem Aktionspotential, in der die Zelle vorübergehend nicht oder nur eingeschränkt erregbar ist. Sie dient der Wiederherstellung des Ruhezustands und verhindert eine rückläufige Erregungsausbreitung.

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Vergleich von pflanzlichen und menschlichen Aktionspotentialen

Auch Pflanzen können elektrophysiologische Prozesse zur Informationsübertragung nutzen, wie am Beispiel der fleischfressenden Wasserfalle (Aldrovanda vesiculosa) deutlich wird. Ein Vergleich der Aktionspotentiale bei Pflanzen und menschlichen Neuronen zeigt interessante Unterschiede und Gemeinsamkeiten:

  1. Dauer:

    • Pflanzliche Aktionspotentiale dauern deutlich länger (mehrere Sekunden) als die der menschlichen Neuronen (wenige Millisekunden)
    • Bei der Wasserpflanze erstreckt sich das Aktionspotential über etwa 15 Sekunden

  2. Amplitude:

    • Die Spannungsänderung bei Pflanzen ist geringer (ca. 60 mV) als bei menschlichen Neuronen (ca. 100 mV)
    • Das Overshoot bei Pflanzen erreicht nur etwa +20 mV, während es bei menschlichen Neuronen bis zu +40 mV betragen kann

  3. Verlauf:

    • Beide zeigen eine schnelle Depolarisation gefolgt von einer langsameren Repolarisation
    • Bei Pflanzen ist die Repolarisationsphase deutlich ausgedehnter

  4. Funktion:

    • In beiden Fällen dienen Aktionspotentiale der Signalübertragung und Auslösung von Reaktionen
    • Bei der Wasserfalle führt das Aktionspotential zum Zusammenklappen der Blättchen zum Beutefang

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Grundeigenschaften des Lebens und Nervenzellen bei Wirbeltieren

Die Erregbarkeit zählt neben Stoffwechsel, Fortpflanzung und Entwicklung zu den fundamentalen Eigenschaften des Lebens. Diese Merkmale finden sich in unterschiedlicher Ausprägung bei allen Organismen. Wirbeltiere haben besonders effizient arbeitende Nervenzellen entwickelt.

Eine typische Nervenzelle (Neuron) bei Wirbeltieren besteht aus folgenden Hauptkomponenten:

  1. Zellkörper (Soma) mit Zellkern
  2. Dendriten zur Reizaufnahme
  3. Axon zur Erregungsweiterleitung
  4. Synaptische Endknöpfchen zur Signalübertragung

Die hohe Effizienz der Nervenzellen bei Wirbeltieren beruht vor allem auf den myelinisierten Axonen. Die Myelinscheide, gebildet von Schwann-Zellen, isoliert das Axon elektrisch und ermöglicht eine sehr schnelle saltatorische Erregungsleitung über die Ranvier'schen Schnürringe.

Highlight: Die Myelinisierung der Axone bei Wirbeltieren erlaubt Leitungsgeschwindigkeiten von bis zu 120 m/s bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch.

Vocabulary: Saltatorische Erregungsleitung - Sprungartige Weiterleitung des Aktionspotentials von einem Ranvier'schen Schnürring zum nächsten

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