Nervenzellen und Reize

Nervenzellen (Neuronen) sind spezialisierte Zellen, die Informationen leiten und verarbeiten können. Beim klassischen Reiz-Reaktions-Schema erfolgt zuerst die Reizaufnahme durch spezialisierte Rezeptorzellen, dann die Weiterleitung über sensorische Nervenzellen zum Zentralnervensystem (Gehirn und Rückenmark), wo die Verarbeitung stattfindet, und schließlich die Ausführung über motorische Nervenbahnen zu Effektoren wie Muskeln.

Ein Reiz ist ein physikalischer, chemischer oder mechanischer Umwelteinfluss, der in Sinneszellen eine Veränderung hervorrufen kann. Wichtig ist dabei das Alles-oder-Nichts-Prinzip: Ein Reiz muss einen bestimmten Schwellenwert erreichen, damit überhaupt eine Reizweiterleitung erfolgt.

Je nach Reizart sind unterschiedliche Sinneszellen und Sinnesorgane zuständig. Druckreize werden durch Vater-Pacini-Körperchen in der Haut aufgenommen, Lichtreize durch Sehsinneszellen im Auge, Temperaturreize durch spezielle Sinneszellen in der Haut und so weiter.

💡 Wusstest du? Reflexe sind die einfachste Form der Verschaltung von Reizen. Sie ermöglichen eine immer gleiche, meist sehr schnelle Reaktion ohne Beteiligung des Bewusstseins. Bekannte Beispiele sind der Knieschenen-, Lidschluss- und Pupillenreflex.

Bau eines Neurons

Ein Neuron besteht aus drei funktionalen Bereichen: dem Empfangsbereich, dem Leitungsbereich und dem Sendebereich. Der Empfangsbereich umfasst die Dendriten, die wie Antennen Signale von anderen Nervenzellen aufnehmen. Im Zentrum befindet sich der Zellkörper (Soma) mit dem Zellkern.

Der Leitungsbereich wird durch das Axon gebildet. Dieses lange Fortsatz leitet die Signale weiter. Bei vielen Axonen bilden sogenannte Schwann'sche Zellen eine isolierende Myelinschicht. Diese Umhüllung wird durch die Ranvier-Schnürringe unterbrochen.

Am Ende des Axons befinden sich die Endknöpfchen, die den Sendebereich darstellen. Hier werden die Signale auf andere Zellen übertragen. Die Kontaktstellen zwischen Neuronen nennt man Synapsen.

💡 Merke dir: In der Membran einer Nervenzelle finden wichtige Transportmechanismen statt. Bei der Diffusion bewegen sich Teilchen entlang eines Konzentrationsgefälles von Bereichen höherer zu Bereichen niedrigerer Konzentration. Die Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran.

Funktionen der Bestandteile und das Ruhepotential

Die Bestandteile eines Neurons erfüllen spezifische Funktionen: Dendriten empfangen Signale, am Axonhügel werden Aktionspotentiale ausgelöst, das Axon leitet diese weiter, und an den Synapsen werden Informationen auf andere Zellen übertragen. Der Zellkern sammelt alle Informationen der Dendriten und verrechnet diese.

Das Ruhepotential ist die elektrische Spannung, die zwischen Innen- und Außenseite der Zellmembran herrscht, wenn keine Erregung vorliegt. Es beträgt etwa -70 mV (innen negativ). Dieses Potential entsteht durch:

1. Eine ungleiche Ionenverteilung: Innen befinden sich mehr Kaliumionen (K⁺) und große Anionen (A⁻), außen mehr Natriumionen (Na⁺) und Chloridionen (Cl⁻).

2. Die unterschiedliche Durchlässigkeit der Membran: Sie ist für K⁺ und Cl⁻ gut durchlässig, für Na⁺ schlecht und für A⁻ gar nicht.

Das Ruhepotential wird durch zwei treibende Kräfte bestimmt: den Konzentrationsgradienten (Tendenz zum Konzentrationsausgleich durch Diffusion) und die elektromotorische Kraft (Tendenz zum Ladungsausgleich). Die Na⁺/K⁺-Pumpe sorgt dafür, dass sich die Ionenkonzentrationen nicht langsam ausgleichen.

🔍 Wichtig zu wissen: Das Ruhepotential kann mit zwei Mikroelektroden gemessen werden. Eine Messelektrode wird in die Zelle eingestochen, die Bezugselektrode bleibt außen. Per Definition ist das Zellinnere negativ geladen, weshalb eine negative Spannung gemessen wird.

Das Aktionspotenzial

Ein Aktionspotenzial (AP) ist eine kurzzeitige, rasche Umpolarisierung der Membran. Nur Nerven-, Sinnes- und Muskelzellen sind erregbar. Das AP folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip: Form und Größe werden nicht durch die Reizstärke bestimmt. Es wird ausgelöst, wenn die Depolarisierung das Schwellenpotential überschreitet.

Nach einem AP folgt eine absolute und relative Refraktärzeit. Diese verhindert eine Dauererregung der Nervenzelle und bestimmt die maximale Impulsfrequenz.

In der Membran gibt es verschiedene Ionenkanäle:

1. Immer offene Kanäle (wichtig für das Ruhepotential, vor allem für K⁺)
2. Spannungsgesteuerte Kanäle (öffnen sich abhängig vom Membranpotential, für Na⁺ und K⁺)
3. Liganden/Transmitter-gesteuerte Kanäle (öffnen sich, wenn bestimmte Moleküle daran binden)
4. Mechanisch gesteuerte Kanäle (reagieren auf mechanische Spannung an der Zelloberfläche)

🧠 Verstehe das Prinzip: Ein Aktionspotenzial beginnt mit einer Depolarisation, bei der sich spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle öffnen. Die Membranspannung steigt kurzzeitig sogar in den positiven Bereich, bevor K⁺-Kanäle für die Repolarisation sorgen. Dieses elektrische Signal ist die Grundlage für die Informationsübertragung in deinem Nervensystem!

Erregungsleitung und synaptische Übertragung

Bei der Erregungsleitung unterscheidet man zwei Mechanismen:

1. Kontinuierliche Erregungsleitung (bei marklosen Nerven):

   • Ein Aktionspotential führt zu Ausgleichsströmen zwischen positiven und negativen Ladungen
   • Diese Ströme depolarisieren benachbarte Membranabschnitte, wodurch sich das AP ununterbrochen fortpflanzt
   • Die Leitungsgeschwindigkeit beträgt 1-25 m/s

2. Saltatorische Erregungsleitung (bei markhaltigen Nerven):

   • Die Schwann'schen Zellen bilden isolierende Myelinschichten
   • Depolarisationen sind nur an den Ranvier'schen Schnürringen möglich
   • Die Erregung "springt" von Schnürring zu Schnürring
   • Mit bis zu 100 m/s deutlich schneller als die kontinuierliche Leitung

An den Synapsen werden Signale von einer Nervenzelle auf die nächste übertragen. Bei der erregenden Synapse läuft dieser Prozess so ab:

1. Das ankommende Aktionspotential öffnet Ca²⁺-Kanäle
2. Einströmende Ca²⁺-Ionen lassen Vesikel mit Neurotransmittern zur Membran wandern
3. Die Vesikel verschmelzen mit der Membran und setzen Transmitter (z.B. Acetylcholin) frei
4. Der Transmitter diffundiert zum Rezeptor der nachgeschalteten Zelle
5. Dort öffnen sich Na⁺-Kanäle, Na⁺ strömt ein und erzeugt ein erregendes postsynaptisches Potential (EPSP)

📝 Merkhilfe: Bei der saltatorischen Leitung "springt" das Signal viel schneller von Lücke zu Lücke - etwa wie du über Steine in einem Bach springst, statt durch das Wasser zu waten. Dies ist besonders wichtig für schnelle Reaktionen!

Experimentelle Nachweise und Störungen des Ruhepotentials

Im Modellversuch zum Ruhepotential kann man die elektrische Spannung zwischen zwei Kompartimenten messen:

1. Ein Tontöpfchen mit KCl-Lösung (entspricht dem Zellinneren) wird in ein Gefäß mit demineralisiertem Wasser gestellt
2. Mit einem Multimeter wird die Spannung zwischen beiden Bereichen gemessen
3. Ohne KCl ist keine Spannung messbar, mit KCl entsteht nach kurzer Zeit eine messbare Spannung

Auch beim Gleichgewichtspotential wechseln Kaliumionen zwischen den Kompartimenten hin und her. Der Nettostrom beträgt jedoch null, da gleich viele Ionen in beide Richtungen diffundieren.

Störungen des Ionengleichgewichts können schwerwiegende Folgen haben. Beispiel Cyanid:

1. Cyanid blockiert die ATP-Synthese in der Atmungskette
2. Die Na⁺/K⁺-Pumpe fällt aus, da sie ATP benötigt
3. Zunächst sind noch ATP-Reste vorhanden, doch mit der Zeit nimmt das Ruhepotential ab
4. Na⁺-Ionen strömen ein und können nicht mehr nach außen gepumpt werden
5. Das Konzentrationsgefälle der Ionen sinkt bis zum Ladungsausgleich
6. Folge: Es können keine Aktionspotentiale mehr ausgelöst werden → keine Impulse an die Muskeln → Muskellähmung, auch der Atemmuskulatur → Tod durch Ersticken

⚠️ Wichtig für Prüfungen: Gifte, die Ionenkanäle blockieren, verhindern die Entstehung von Aktionspotentialen. Dadurch können Signale nicht mehr zu den Muskeln weitergeleitet werden, was zu Lähmungserscheinungen führen kann.