Die Funktionsweise von Nervenzellen basiert auf komplexen elektrochemischen Prozessen, die für die Signalübertragung essentiell sind. Das Ruhepotential ist ein grundlegender Mechanismus in Nervenzellen, der für die Signalübertragung essentiell ist. Die Weiterleitung von Nervenimpulsen erfolgt durch Aktionspotentiale, die sich entlang des Axons ausbreiten. Die kontinuierliche Erregungsleitung beschreibt die ununterbrochene Ausbreitung des Aktionspotentials entlang der Axonmembran, während die saltatorische Erregungsleitung die "springende" Erregungsweiterleitung bei myelinisierten Nervenfasern charakterisiert. Das Ruhepotential ist ein fundamentaler Zustand der Nervenzelle, der durch die ungleiche Verteilung von Ionen zwischen dem Zellinneren und dem Außenmedium entsteht.
Grundlagen des Ruhepotentials
Das Ruhepotential beschreibt das Membranpotential einer erregbaren Zelle im Ruhezustand. Dieser Zustand der Ruhe kann durch eine zeitlich begrenzte Erregung geändert werden. Dann spricht man von einem Aktionspotential. In unerregtem Zustand ist das Cytoplasma einer Zelle gegenüber ihrer Umgebung negativ geladen.
Das Ruhepotential ist als Membranpotential der beispielsweise erregbaren Nerven- oder Muskelzelle der sogenannte Grundzustand, welcher der Summe aller Diffusionspotenziale der intra- sowie extrazellulär auftretenden Ionen entspricht. Je nach Zelltyp ist das Ruhepotential unterschiedlich groß und liegt zwischen etwa -70 mV bis -90 mV und entspricht mehr oder weniger dem Kalium-Gleichgewichtspotential. Der Ladungsunterschied zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran ruft dieses Potential hervor, wobei die Innenseite der Zellmembran negativ und die Außenseite positiv geladen ist.
Ionenverteilung und Membranpermeabilität
Die Membran ist für verschiedene Ionen unterschiedlich durchlässig. Sie ist nahezu undurchlässig für große Anionen A− im Zellinneren, wenig durchlässig für Natrium- Na+ und Chlorid-Ionen Cl−, aber sehr durchlässig für Kalium-Ionen K+. Die hohe Durchlässigkeit für K+-Ionen führt zu einem Konzentrationsgradienten. K+-Ionen diffundieren entlang dieses Gradienten aus der Zelle heraus, was zu einem Überschuss positiver Ladungen im Außenmedium und einem Überschuss negativer Ladungen im Zellinneren führt. Die Verteilung der K+-Ionen wird nicht nur durch den Konzentrationsgradienten, sondern auch durch das elektrische Potential beeinflusst. Na+-Ionen spielen ebenfalls eine Rolle beim Ruhepotential. Ohne aktive Mechanismen würde das Ruhepotential mit der Zeit zusammenbrechen, da sich die Konzentrationen von Na+- und K+-Ionen ausgleichen würden.
Aktiver Transport durch die Natrium-Kalium-Pumpe
Um dies zu verhindern, spielt die Natrium-Kalium-Pumpe eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält das Ruhepotential aufrecht, indem sie drei Natriumionen aus der Zelle und zwei Kaliumionen in die Zelle pumpt. Dieser aktive Transport verhindert, dass sich die Ionenverteilung ausgleicht und das Ruhepotential verloren geht. Die Natrium-Kalium-ATPase, welche unter Energieverbrauch (ATP-Verbrauch) kontinuierlich drei Natrium-Ionen aus der Zelle und zwei Kalium-Ionen in die Zelle pumpt. Somit wird das Konzentrationsgefälle von Natrium und Kalium aufrechterhalten.
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Zusätzliche Ionenkanäle
Weitere zusätzliche Ionenkanäle regulieren ebenfalls den Einstrom und Ausstrom der Ionen. Die unterschiedlichen Ionenkonzentrationen intra- und extrazellulär sind essenziell für die Entstehung des Ruhepotentials. Dazu ist die intrazelluläre Konzentration der Kaliumionen höher als extrazellulär.
Mechanismen der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials
Die Aufrechterhaltung und Entstehung des Ruhepotentials kann durch die verschiedenen strukturellen Mechanismen erklärt werden. Durch das Zusammenwirken dieser Mechanismen entsteht ein stabiles und negatives Membranpotential, welches essenziell für die Erregbarkeit der Zellen ist.
Brownsche Molekularbewegung und selektive Permeabilität
Die Brown’sche Molekularbewegung beschreibt, dass sich Moleküle und Ionen zufällig bewegen und eine gleichmäßige Verteilung im Raum anstreben. Durch die selektive Permeabilität der Zellmembran (semipermeable Membran), lässt diese einige Ionen durch spezifische Ionenkanäle leichter passieren als andere. Sie führt dazu, dass Kaliumionen vergleichsweise leicht durch die Membran diffundieren können, während Natriumionen und große negativ geladene Proteine weitgehend zurückgehalten werden. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass die Natriumkanäle normalerweise geschlossen und die Kaliumkanäle offen sind. Der dadurch hervorgebrachte kontinuierliche Ionentransport wird auch Leckstrom (konstanter Transport von Ionen über die Zellmembran von Neuronen) genannt.
Elektrochemischer Gradient
Kaliumionen diffundieren nach außen, und zwar so lange bis ein Gleichgewicht der elektrischen und osmotischen Kräfte entsteht. Die Ionen werden von der semipermeablen Membran an einer Gleichverteilung gehindert, denn sie ist nicht für alle Ionen gleich durchlässig. Im Ruhezustand ist die Zellmembran vor allem für Kaliumionen (K+) durchlässig, sodass diese hauptverantwortlich für die Entstehung des Ruhepotenzials sind.
Es ergibt sich zunächst ein elektrochemischer Gradient. Über die Membran hinweg gibt es ein Konzentrationsgefälle, Kaliumionen ($K^{+}$) liegen innerhalb der Zelle beispielsweise in einer deutlich höheren Konzentration vor als außerhalb. Ionen haben eine zufällige Eigenbewegung (brownsche Molekularbewegung) und streben einen Konzentrationsausgleich an. Bewegen sich positiv geladene Kaliumionen ($K^{+}$) nun beispielsweise aus der Zelle heraus, nimmt die elektrische Ladung innerhalb der Zelle ab und es entsteht ein Spannungsfeld. Nicht nur die Teilchen tendieren dazu, Konzentrationen auszugleichen, sondern auch elektrische Ladungen tendieren zum Ausgleich. Der elektrische Gradient wirkt dem chemischen Gradienten also entgegen, indem er Kaliumionen ($K^{+}$) in unserem Beispiel zurückhält.
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Rolle des Ruhepotentials in erregbaren Zellen
Das Ruhepotential spielt eine wichtige Rolle in erregbare Zellen, insbesondere in Nervenzellen, Muskelzellen (Skelett-,Herz- und glatte Muskelzellen) und Sinneszellen. Es ist essenziell, um ein stabiles elektrisches Milieu innerhalb der Zelle aufrecht zu erhalten und eine gute Reaktion auf Reize zu ermöglichen. Ohne das Ruhepotential, wäre es den Nervenzellen nicht möglich Signale weiterzuleiten und Muskeln könnten nicht kontrahieren. Das Ruhepotential ist wesentlich für die Erregbarkeit von Nervenzellen. Gäbe es das Spannungsgefälle nicht, so wäre eine Weiterleitung elektrischer Signale unmöglich. Durch spezifische Reize kann es zu einer Depolarisation kommen.
Bedeutung für Aktionspotentiale
Ändert sich die Spannung an der Membran einer erregbaren Zelle, kommt es zum sogenannten Aktionspotential. AktionspotenzialWird die Schwelle an einer Nervenfaser durch einen enitreffenden Reiz überschritten, so kommt es zur Öffnung der spannungsabhängigen Kalium- und Natrium-Kanäle, wodurch es zu einer Depolarisation und zur Auslösung eines Aktionspotenzials kommt.
Nicht alle Zellen können Aktionspotentiale bilden. Aktionspotentials in den benachbarten Zelle führt. wiederum in einer Veränderung des Membranpotentials, z.B. Steigt das Membranpotential vom Ruhemembranpotential (ca. sogenannte Reizschwelle bei meist ca. unabhängig von der Stärke des auslösenden Reizes. ein Aktionspotential ausgelöst, oder eben keines. Zelle selbst führen (z.B. sind beteiligt. So schließen sich z.B. normalerweise negativen Membranpotentials hin zu positiven Werten. erneuten Aktionspotential bewegt werden. ("erhöhte Reizschwelle").
Spannungsabhängige Ionenkanäle
Wie schon im Artikel über das Ruhemembranpotential beschrieben, verfügen Zellen über eine Reihe von Ionenkanälen. Für das Aktionspotential sind vor allem bestimmte für Natrium- bzw. Kalium-Ionen spezifische Ionenkanäle verantwortlich. Diese Kanäle öffnen sich in Abhängigkeit vom Membranpotential, d.h. sie sind spannungsaktiviert. So ist beispielsweise ein spannungsabhängiger Natriumkanal (Nav-Kanal) (aufgrund seiner Eigenschaft auch als schneller Natriumkanal bezeichnet) beim Ruhemembranpotential geschlossen und aktivierbar. Bei Depolarisation über einen kanalspezifischen Wert erfolgt eine Konformationsänderung, der Kanal wird dadurch durchlässig für Ionen und geht in den Zustand offen über. Der Kanal bleibt aber trotz anhaltender Depolarisation nicht etwa offen, sondern wird innerhalb weniger Millisekunden unabhängig vom Membranpotential wieder verschlossen. Das geschieht meist durch einen im Zytoplasma liegenden Teil des Kanalproteins, die Inaktivierungsdomäne, die sich gleich einem Stöpsel in den Kanal setzt und diesen verstopft. Diesen Zustand bezeichnet man als geschlossen und inaktiviert. In der Literatur wird auch beschrieben, dass ein geschlossener und inaktivierter Kanal nach Repolarisierung zunächst kurzzeitig im Zustand offen vorliegt, bevor er durch die Konformationsänderung direkt nach geschlossen aktivierbar übergeht. Nicht alle Kanäle öffnen sich gleichzeitig bei ein und demselben Wert des Membranpotentials. Vielmehr ist die Wahrscheinlichkeit eines Kanals, in einen bestimmten Zustand überzugehen, spannungsabhängig. Auch ist der Zeitaufwand, um von einen Zustand in den anderen überzugehen, kanalspezifisch. Abgesehen von der Spannung gibt es noch eine Reihe weiterer Mechanismen zum Öffnen bzw. Schließen der Kanäle. Für das Aktionspotential sind davon nur noch zwei von gewisser (s.u.) Bedeutung. Zum einen sind die Kalium-einwärts-gleichgerichteten-Kanäle Kir zwar an sich nicht regelbar. Es gibt jedoch niedermolekulare, positiv geladene Stoffe wie das Spermin, die bei ausreichender Depolarisation die Kanalporen verstopfen können (Kanalblock, Porenblock). In der Ausgangslage befindet sich die Zelle in Ruhe und weist ihr Ruhemembranpotential auf. Bei allen Ionenbewegungen wird Richtung und Stärke durch die elektrochemischen Triebkräfte für die jeweiligen Ionen bestimmt. Während der Initiationsphase muss durch einen Reiz das Membranpotential bis zum Schwellenwert depolarisiert werden. Bei -60 mV fangen die spannungsabhängigen Natriumkanäle NaV an, in den offenen Zustand überzugehen. Noch bevor das Potentialmaximum erreicht ist, beginnen die NaV-Kanäle zu inaktivieren. K+-Ionen strömen aus der Zelle heraus. Sie haben zwar ihre Schwelle bei ähnlichen Werten, brauchen aber wesentlich länger für das Öffnen, womit sie jetzt erst langsam beginnen. Während des Maximums der Na-Leitfähigkeit sind die Kaliumkanäle gerade erst zur Hälfte geöffnet und erreichen ihr Maximum, wenn fast alle Na-Kanäle schon inaktiviert sind. Während der Repolarisation nähert sich das Potential wieder dem Ruhepotential an. KV schließen, der Porenblock der Kir wird aufgehoben, was wichtig für die Stabilisierung des Ruhepotential ist. In vielen Zellen (vor allem Neuronen) ist noch eine Nachhyperpolarisation zu beobachten. Sie erklärt sich durch eine auch weiterhin noch erhöhte Kaliumleitfähigkeit, wodurch das Potential noch näher am Kaliumgleichgewichtspotenzial liegt.
Refraktärphasen
Nach dem Abklingen des Aktionspotentials ist das Axon für eine kurze Zeit nicht mehr erregbar. Bei den Arbeitsmyokardzellen des Herzens ist diese Phase - dort auch "Plateauphase" genannt - besonders lang, was auf den sog. "langsamen Calcium-Einstrom" zurückgeführt wird (dieser Umstand ist wichtig, um ein "Zurücklaufen" der Erregung zu verhindern (Unidirektionalität)). Während der absoluten Refraktärphase kurz nach dem Aktionspotential, wenn die Repolarisation noch im Gange ist, können diese Kanäle überhaupt nicht wieder öffnen. Man sagt auch, der Schwellenwert liegt bei Unendlich. Während der relativen Refraktärphase benötigt man stärkere Reize und erhält schwächere Aktionspotentiale.
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Einfluss von Störungen des Ruhepotentials
Kommt es zu Abweichungen vom normalen Ruhepotential, kann es zu schwerwiegenden Folgen für die Zellfunktion kommen. Beispielsweise kann es zur Hyperpolarisation kommen. Bei der Depolarisation wird das Membranpotenzial positiver und es steigt die Wahrscheinlichkeit eines Aktionspotentials. Ein gestörtes Ruhepotenzial kann zu verschiedene pathologische Bildern führen. Es kann zu einer erniedrigten Kaliumkonzentration im Blut kommen, zur sogenannten Hypokaliämie. Dies würde in einer Hyperpolarisation resultieren, wodurch die Nervenzellen weniger erregbar wären und es zu Lähmungen kommen kann. Eine Hyperkaliämie kann zu einer Depolarisation führen und die Erregbarkeit der Zellen übermäßig steigern, was Herzrhythmusstörungen und Muskelkrämpfe zur Folge haben kann.
Experimentelle Messung des Ruhepotentials
Das Ruhepotential kann durch Mikroelektroden experimentell an lebenden Zellen gemessen werden. Die Messelektrode wird durch die Zellmembran in den Intrazellukärraum eingestochen und eine zweite sogenannte Bezugselektrode wird von außen an die Zelle gehalten. Diese Technik erlaubt, die Spannungsverhältnisse innerhalb und außerhalb der Zelle direkt zu ermitteln. Zudem lassen sich so Veränderungen des Membranpotenzials beobachten. Das Innere der Zelle ist negativ geladen, dies bedeutet also es wird eine negative Spannung gemessen. In den 1930er Jahren wurde ein Riesenaxon eines Tintenfisches (Kalmar) als erstes Modell für die Erforschung des Membranpotentials verwendet.
Verrechnung von Signalen an Nervenzellen
Da meist mehrere Signale an einer Nervenzelle ankommen, muss es auf der nächsten Stufe zu einer Verrechnung aller PSP kommen. Hierfür gibt es zwei Prinzipien:
- Zeitliche Summation: zeitlich kurz aufeinanderfolgende Erregungen einer Synapse
- Räumliche Summation: gleichzeitige Stimulierung an verschiedenen Synapsen
Die Abbildung zeigt die zeitliche und räumliche Verrechnung sowie die Verschaltung an einer Nervenzelle. Mehrere Endknöpfchen sind mit den Dendriten einer weiteren Nervenzelle verbunden. Am Axonhügel entscheidet sich, ob das Rezeptorpotential für ein neues Aktionspotential ausreicht.
Die linke Abbildung zeigt die zeitliche Summation. Hier treffen die Reize (Erregung) in so kurzen Zeitabständen ein, dass das Membranpotential nach Eintreffen des ersten Impulses nicht auf das Niveau des Ruhepotentials zurückkehren kann.
Die rechte Abbildung hingegen visualisiert schematisch die räumliche Summation. Die Nervenzelle wird von mehreren Synapsen gleichzeitig stimuliert, sodass sich die postsynaptischen Potentiale addieren.
Präsynaptische Hemmung
Hier findet eine Hemmung bereits vor dem synaptischen Spalt statt. Das heißt, dass eine hemmende Synapse am Endknöpfchen eines Neurons anliegt. Der von ihr ausgeschüttete Neurotransmitter hemmt die weitere Ausbreitung des Aktionspotentials, das über eben dieses Neuron geleitet wird. An den Endknöpfchen werden somit keine Neurotransmitter ausgeschüttet.
Das Auslösen eines Aktionspotentials wird mit Feuern anschaulich beschrieben. Erreicht ein Aktionspotential die Synapse, werden Transmitter "explosionsartig" in den synaptischen Spalt abgegeben. Je mehr Aktionspotentiale hintereinander die Synapse erreichen, desto mehr Transmitterstoffe werden ausgeschüttet. Meist wird für die Auslösung eines Aktionspotentials das Überschreiten eines bestimmten Schwellenpotentials verantwortlich gemacht, ab dem die Natriumkanäle nach Art eines internen Vergleiches lawinenartig aktiviert werden. Trotz aller Bemühungen eine solche Feuerschwelle zu finden, kann kein fester Spannungswert angegeben werden, der ein Aktionspotential bedingt. Stattdessen feuern Neurone unter einem relativen breiten Band von auslösenden Membranspannungen. Daher ist die Neurowissenschaft von der Vorstellung eines festen Schwellenpotentials abgekommen. Systemtheoretisch lässt sich die Entstehung des Aktionspotentials am ehesten durch eine Bifurkation zwischen passiver und Aktionspotentialdynamik, wie es beispielsweise beim Hodgkin-Huxley-Modell der Fall ist, beschreiben. Calciumkanäle ausgelöst werden.