Entstehung und Aufrechterhaltung des Ruhepotentials

Das Ruhepotential entsteht durch die Wanderung bestimmter Ionen durch die Membran, was zu einer Ladungsdifferenz zwischen dem Innen- und Außenraum der Nervenzelle führt. Dieser Prozess basiert auf mehreren Faktoren:

1. Diffusion der Ionen entlang ihres Konzentrationsgradienten
2. Selektive Permeabilität der Zellmembran
3. Elektrische Anziehung und Abstoßung der Ionen

Example: K+-Ionen diffundieren aufgrund des Konzentrationsgefälles aus der Zelle heraus, wodurch der Außenraum positiver wird. Gleichzeitig verhindert die selektive Permeabilität der Membran einen vollständigen Ausgleich der Ionenkonzentrationen.

Die Brown'sche Molekularbewegung spielt eine wichtige Rolle bei der Verteilung der Ionen. Je höher die Konzentration der Teilchen, desto stärker ist ihr Bestreben, sich gleichmäßig im Raum zu verteilen.

Highlight: Das Ruhepotential ist ein dynamisches Gleichgewicht, bei dem sich die Ionenverteilung trotz ständiger Bewegung der Teilchen nicht wesentlich ändert.

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist entscheidend für die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials. Sie transportiert aktiv Ionen gegen ihren Konzentrationsgradienten:

• Drei Na+-Ionen werden aus der Zelle heraus transportiert
• Zwei K+-Ionen werden in die Zelle hinein transportiert

Vocabulary: Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Enzym in der Zellmembran, das unter Verbrauch von ATP Natrium- und Kaliumionen gegen ihre Konzentrationsgradienten transportiert.

Dieser aktive Transport erfordert Energie in Form von ATP und wirkt dem passiven Einstrom von Na+-Ionen (Na+-Leckstrom) entgegen. Dadurch wird der Konzentrationsgradient aufrechterhalten, der für das Ruhepotential und die Erregbarkeit der Nervenzelle essentiell ist.

Definition: Der Na+-Leckstrom bezeichnet den passiven Einstrom von Natriumionen in die Zelle aufgrund des Konzentrationsgradienten.

Die Nervenzelle und ihre Reizweiterleitung

Die Reizweiterleitung Nervenzelle ist ein komplexer Prozess, der sich in mehrere Phasen unterteilt. Im Ruhezustand befindet sich die Nervenzelle im sogenannten Ruhepotential, bei dem der Zellinnenraum gegenüber dem Außenraum negativ geladen ist. Die Ruhepotential Ionenverteilung wird durch die Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten.

Definition: Das Aktionspotential ist eine kurzzeitige Änderung der elektrischen Spannung an der Zellmembran einer Nervenzelle, die der Signalübertragung dient.

Bei der Reizweiterleitung kommt es zunächst zur Depolarisierung, bei der sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen und Natrium-Ionen in die Zelle einströmen. Dies führt zu einer Umkehrung der Ladungsverhältnisse. Anschließend folgt die Repolarisierungsphase, in der sich die Natriumkanäle wieder schließen und Kaliumkanäle öffnen, wodurch Kalium-Ionen aus der Zelle ausströmen.

Die Myelinscheide Funktion spielt bei der Reizweiterleitung eine entscheidende Rolle. Diese Isolierschicht, die von Schwannschen Zellen gebildet wird, ermöglicht die saltatorische Erregungsleitung. An den Ranvierschen Schnürringen entstehen Aktionspotentiale, die von einem Schnürring zum nächsten "springen". Dies macht die Reizweiterleitung deutlich schneller und energieeffizienter.

Highlight: Der Unterschied zwischen Schwann-Zellen und Oligodendrozyten liegt in ihrem Vorkommen: Schwann-Zellen befinden sich im peripheren Nervensystem, während Oligodendrozyten im zentralen Nervensystem zu finden sind.

Synaptische Übertragung: Elektrische und Chemische Synapsen im Vergleich

Die Reizweiterleitung im Nervensystem erfolgt über zwei unterschiedliche Arten von Synapsen: elektrische und chemische Synapsen. Diese Strukturen sind fundamental für die Reizweiterleitung im Gehirn und zeigen deutliche Unterschiede in ihrer Funktionsweise und ihren Eigenschaften.

Definition: Synapsen sind spezialisierte Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, die der Signalübertragung dienen. Die Nervenzelle Funktion basiert maßgeblich auf der korrekten Funktion dieser Verbindungen.

Bei der elektrischen Synapse erfolgt die Signalübertragung direkt über Gap Junctions - kleine Proteinkanäle, die beide Zellen verbinden. Der synaptische Spalt beträgt hier nur 3,5 nm, was eine sehr schnelle, bidirektionale Signalübertragung ermöglicht. Diese Art der Synapse findet sich besonders in Geweben, die eine schnelle Reaktion erfordern, wie der Retina oder dem Herzen.

Die chemische Synapse hingegen nutzt Neurotransmitter zur Signalübertragung. Mit einem synaptischen Spalt von 30 nm und einer Übertragungszeit von etwa 5 ms ist sie deutlich langsamer als ihr elektrisches Pendant. Das Aktionspotential wird hier in ein chemisches Signal umgewandelt, was eine feinere Regulierung der Signalübertragung ermöglicht.

Highlight: Synapsengifte können die Signalübertragung erheblich beeinflussen. Beispiele sind Botulinumtoxin (Botox), das die Transmitterausschüttung verhindert, oder Curare, das die Acetylcholin-Rezeptoren blockiert.

Neurobiologie: Vom Reiz zur Reaktion

Das Reiz-Reaktions-Schema bildet die Grundlage für die Verarbeitung von Sinneseindrücken im Nervensystem. Ein Reiz wird über ein Sinnesorgan aufgenommen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird dann über sensorische Nerven zum Gehirn weitergeleitet, wo es verarbeitet und ausgewertet wird. Anschließend wird eine Reaktion über motorische Nerven zu den Muskeln gesendet.

Definition: Das Reiz-Reaktions-Schema beschreibt den Weg von der Aufnahme eines Reizes bis zur Ausführung einer Reaktion durch den Körper.

Der Aufbau einer Nervenzelle ist komplex und besteht aus mehreren wichtigen Teilen:

• Das Soma enthält den Zellkern und die meisten Organellen.
• Das Axon ist ein langer Fortsatz, der Signale weiterleitet.
• Dendriten sind verzweigte Fortsätze, die Signale aufnehmen.
• Der Axonhügel ist der Ursprungsort für Aktionspotentiale.
• Synaptische Endknöpfchen übertragen Signale an andere Zellen.

Highlight: Nervenzellen können sich nach der Embryonalentwicklung nicht mehr teilen, da ihnen die Zentriolen fehlen.

Vocabulary: Gliazellen sind spezialisierte Zellen, die Nervenzellen umgeben, schützen und versorgen. Sie bilden auch die Myelinscheide, die zur Isolierung der Nervenfasern dient.