Aufbau von Nervenzellen

Jedes Neuron besteht aus drei Hauptteilen, die perfekt zusammenarbeiten. Die Dendriten fungieren wie Antennen und empfangen Signale von anderen Nervenzellen.

Der Zellkörper (Soma) ist das Kontrollzentrum mit dem Zellkern. Hier werden alle eingehenden Signale gesammelt und zum Axonhügel weitergeleitet, wo entschieden wird, ob ein Signal weitergegeben wird.

Das Axon ist wie ein biologisches Kabel, das die Erregung zu den Endknöpfchen transportiert. Bei Wirbeltieren ist es oft von einer Myelinscheide umhüllt - das sind Schwannsche Zellen, die wie eine Isolierung wirken. Diese wird von Ranvierschen Schnürringen unterbrochen, wodurch die saltatorische Erregungsweiterleitung möglich wird - das Signal "springt" von Schnürring zu Schnürring und wird dadurch viel schneller übertragen.

Merktipp: Stelle dir ein Neuron wie eine Einbahnstraße vor - Signale fließen immer von den Dendriten über das Axon zu den Endknöpfchen!

Das Ruhepotenzial verstehen

Das Ruhepotenzial von etwa -70mV ist der "Standby-Modus" einer Nervenzelle. Stell dir vor, die Zelle ist wie eine geladene Batterie, die darauf wartet, entladen zu werden.

Diese negative Spannung entsteht durch eine clevere Ionenverteilung. Im Zellinneren befinden sich hauptsächlich Kaliumionen $K+$ und große organische Anionen $A-$. Draußen sammeln sich Natriumionen $Na+$ und Chloridionen $Cl-$.

Die Natrium-Kalium-Pumpe arbeitet wie ein ständiger Türsteher und pumpt aktiv drei Natriumionen raus und zwei Kaliumionen rein - das kostet Energie in Form von ATP. Zusätzlich sorgen Ionenkanäle für einen kontrollierten Austausch: Kaliumkanäle sind offen und lassen K+ rausströmen, während Natriumkanäle geschlossen bleiben (nur kleine Leckströme).

Fun Fact: Die Natrium-Kalium-Pumpe verbraucht etwa ein Drittel der gesamten Energie deines Gehirns!

Ionenverteilung im Detail

Die Transmembranspannung von ca. -70mV entsteht durch die ungleiche Ladungsverteilung zwischen Intrazellularraum und Extrazellularraum. Das ist wie bei einer Batterie mit Plus- und Minuspol.

Intrazellular herrschen Kaliumionen und organische Anionen vor, wodurch das Zellinnere negativ geladen ist. Extrazellular dominieren Natrium- und Chloridionen, was eine positive Ladung erzeugt.

Das Konzentrationsgefälle würde normalerweise zu einem Ladungsausgleich führen. Kalium will nach draußen (chemischer Gradient), Natrium will nach innen. Hier kommen die Ionenkanäle ins Spiel: Kaliumkanäle bleiben offen, Natriumkanäle sind geschlossen - nur kleine Natrium-Leckströme fließen.

Die Natrium-Kalium-Pumpe arbeitet gegen diese Gradienten und hält das Ungleichgewicht aufrecht. Sie ist ein aktiver Transportmechanismus, der permanent ATP verbraucht, um 3 Na+ raus und 2 K+ rein zu pumpen.

Eselsbrücke: "3 raus, 2 rein" - so merkst du dir die Natrium-Kalium-Pumpe!

Wichtige Begriffe zum Ruhepotenzial

Das Ruhepotenzial beschreibt das Membranpotenzial einer unerregten Zelle bei ca. -70mV. Die semipermeable Membran trennt verschiedene Ionenräume voneinander.

Die wichtigsten Akteure sind Natriumionen (hauptsächlich außen), Chloridionen (hauptsächlich außen), Kaliumionen (hauptsächlich innen) und organische Anionen - große, negativ geladene Moleküle im Zellinneren.

Das Konzentrationsgefälle beschreibt die unterschiedliche Ionenkonzentration innen und außen. Ionenkanäle funktionieren wie Tunnel für passiven Transport, besonders Kaliumkanäle, die offen sind und K+ ausströmen lassen.

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist der Held der Geschichte - sie arbeitet aktiv mit ATP gegen das Konzentrationsgefälle $3 Na+ raus, 2 K+ rein$. Natrium-Leckströme sind ein geringer Einstrom von Na+ trotz geschlossener Kanäle. Das Transmembranpotenzial ist die elektrische Spannung zwischen Zellinnerem und -äußeren.

Tipp: Diese Begriffe tauchen garantiert in deiner Klausur auf - lerne sie auswendig!

Das Aktionspotenzial - Der Nervenimpuls

Das Aktionspotenzial ist wie ein elektrischer Blitz, der durch die Nervenzelle zuckt. Es funktioniert nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip - entweder der Schwellenwert von -50mV wird erreicht und das Signal läuft vollständig ab, oder gar nichts passiert.

Die Depolarisation startet, wenn spannungsabhängige Natriumkanäle sich öffnen und Na+ einströmt. Dadurch wird die Zelle positiver, weitere Kanäle öffnen sich (Rückkopplung) bis +30mV erreicht sind.

Bei der Repolarisation schließen sich die Natriumkanäle und werden refraktär (blockiert). Gleichzeitig öffnen sich Kaliumkanäle zeitverzögert, K+ strömt raus und die Spannung sinkt. Die Refraktärzeit verhindert, dass Signale rückwärts laufen.

Die Hyperpolarisation auf ca. -90mV entsteht, weil sich die Kaliumkanäle nur langsam schließen und zu viel K+ ausströmt. Die Natrium-Kalium-Pumpe stellt schließlich das Ruhepotenzial wieder her.

Wichtig: Aktionspotenziale haben immer die gleiche Amplitude - nur ihre Frequenz ändert sich bei stärkeren Reizen!

Erregende und hemmende Synapsen

An Synapsen entscheidet sich, ob ein Signal verstärkt oder gebremst wird. Es gibt zwei Grundtypen, die völlig unterschiedlich arbeiten.

Erregende Synapsen lösen eine Depolarisation aus. Transmittergesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Na+ strömt ein (positiv) und erzeugt ein EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potenzial). Das bringt die Zelle näher zum Schwellenwert.

Hemmende Synapsen bewirken eine Hyperpolarisation. Hier öffnen sich Chloridkanäle, Cl- strömt ein (negativ) und erzeugt ein IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potenzial). Die Zelle wird negativer und weiter vom Schwellenwert entfernt.

Nur wenn die Summe aller Signale am Axonhügel den Schwellenwert übersteigt, entsteht ein Aktionspotenzial. Das ist wie bei einer Demokratie - die Mehrheit entscheidet!

Merkhilfe: EPSP = Erregend/Positiv, IPSP = Inhibierend/Negativ

Räumliche und zeitliche Summation

Nervenzellen sind wie Computer, die permanent EPSP und IPSP verrechnen. Am Axonhügel wird entschieden: Schwellenwert erreicht = Aktionspotenzial ausgelöst.

Räumliche Summation bedeutet, dass viele Signale von verschiedenen Synapsen gleichzeitig ankommen. Stell dir vor, mehrere Personen drücken gleichzeitig verschiedene Tasten an einem Klavier - der Gesamtklang entscheidet.

Zeitliche Summation funktioniert anders: Hier kommen mehrere Signale schnell hintereinander an derselben Synapse an. Wie beim schnellen Drücken derselben Taste - die Wirkung addiert sich.

Beide Summationsarten können sich überlagern. Das Nervensystem verrechnet permanent erregende und hemmende Signale. Nur wenn die Gesamtsumme am Axonhügel den Schwellenwert übersteigt, feuert das Neuron.

Beispiel: Beim Reflex wirken viele erregende Synapsen zusammen (räumlich), während Schmerzsignale oft durch zeitliche Summation verstärkt werden.

Potenzialmessungen verstehen

Potenzialmessung ist das Werkzeug, mit dem Wissenschaftler die elektrischen Vorgänge in Nervenzellen sichtbar machen. Es ist wie ein EKG für einzelne Zellen.

Der Versuchsaufbau verwendet eine feine Glasmikroelektrode im Zellinneren und eine Referenzelektrode außerhalb. Beide sind mit einem Verstärker und Oszilloskop verbunden, um winzige Spannungsänderungen zu messen.

Das Messprinzip basiert auf der Spannungsmessung zwischen Innen- und Außenseite der Zellmembran. Die Unterschiede der geladenen Teilchen werden in Millivolt (mV) gemessen und als Potenzial-Zeit-Diagramm dargestellt.

Gemessen werden können das Ruhepotenzial $-70mV durch ungleiche Ionenverteilung$ und Aktionspotenziale $Spannungssprung von -70mV auf +30mV in Millisekunden$. Die Messung zeigt alle Phasen: Depolarisation, Repolarisation und Hyperpolarisation.

Anwendung: Diese Technik hilft bei der Diagnose von Nervenkrankheiten und der Entwicklung neuer Medikamente.

Patch-Clamp-Technik

Die Patch-Clamp-Technik ist wie ein Mikroskop für einzelne Ionenkanäle. Sie macht sichtbar, was an winzigen Membranstücken passiert.

Das Prinzip nutzt den elektrischen Widerstand semipermeabler Membranen. Eine Messpipette wird auf die Membranoberfläche gesetzt und durch Unterdruck wird ein Membranstück angesaugt. Die Pipette ist an ein Spannungsmessgerät angeschlossen.

Die Methode basiert auf dem Alles-oder-Nichts-Prinzip der Ionenkanäle. Ist ein bestimmtes Membranpotenzial erreicht, öffnen oder schließen sich die Kanäle komplett. Verändert man die Pipettenlösung, ändert sich das Membranpotenzial - dieser elektrische Impuls wird als Strom gemessen.

Die Ziele sind vielfältig: Datenanalyse von Spannungssignalen, Untersuchung von Membranpotenzial-Änderungen und Krankheitsforschung. Elektrolyte in der Pipettenlösung können Signalwege verstärken oder vermindern, was neue Therapieansätze ermöglicht.

Bedeutung: Diese Technik revolutionierte die Neurobiologie und half bei der Entwicklung moderner Medikamente gegen Epilepsie und andere Nervenkrankheiten.

Vorgänge an der Synapse

Synapsen sind die Kommunikationszentren zwischen Neuronen. Der synaptische Spalt trennt Präsynapse und Postsynapse voneinander.

Wenn ein Aktionspotenzial das Endknöpfchen erreicht, öffnen sich spannungsgesteuerte Ca²⁺-Kanäle. Calcium strömt ein und löst eine Kettenreaktion aus: Vesikel mit Neurotransmittern (z.B. Acetylcholin) verschmelzen mit der präsynaptischen Membran.

Der Neurotransmitter diffundiert in den synaptischen Spalt und bindet an ligandengesteuerte Ionenkanäle der Postsynapse. Je nach Kanaltyp entsteht ein EPSP (Na⁺ strömt ein, Depolarisation) oder IPSP (Cl⁻ strömt ein, Hyperpolarisation).

Gleichzeitig werden Ca²⁺-Ionen durch Pumpen und Natrium-Calcium-Austauscher wieder aus der Präsynapse entfernt. Das Enzym Acetylcholinesterase spaltet Acetylcholin in Acetat und Cholin, die zur Präsynapse zurückkehren und mit ATP wieder zu Acetylcholin zusammengefügt werden. Ohne Transmitter schließen sich die Ionenkanäle und das Ruhepotenzial wird wiederhergestellt.

Wichtig: Die Acetylcholinesterase verhindert eine Dauererregung - ohne sie würden Muskeln permanent kontrahiert bleiben!