Die Rolle von Kationen und Anionen in der Funktion von Nervenzellen

Nervenzellen, auch Neuronen genannt, sind die grundlegenden Bausteine des Nervensystems und spielen eine entscheidende Rolle bei der Informationsübertragung im Körper. Diese Übertragung erfolgt durch elektrische und chemische Signale, bei denen Ionen, insbesondere Kationen und Anionen, eine zentrale Rolle spielen.

Elektrolyte und ihre Bedeutung für den Körper

Elektrolyte sind Ionen, die in Körperflüssigkeiten gelöst sind und einen starken Einfluss auf Körperfunktionen und Stimmung haben. Störungen im Elektrolythaushalt können vielfältige Folgen haben, von Herzrhythmusstörungen bis hin zu psychischen Problemen. Zu den wichtigsten Elektrolyten gehören Kationen wie Kalium, Natrium, Calcium und Magnesium sowie Anionen wie Phosphat und Chlorid. Diese Ionen sind auch in den Axonen der Nervenzellen für ein sensibles Gleichgewicht unerlässlich.

Ionenkanäle: Der Schlüssel zur elektrischen Aktivität von Nervenzellen

Die elektrische Aktivität von Nervenzellen basiert auf der Struktur und Funktion von Ionenkanälen. Diese Kanäle sind integrale Membranproteine, die in allen Zellen vorkommen und drei wesentliche Eigenschaften aufweisen:

1. Sie ermöglichen den Durchtritt von Ionen durch die ansonsten undurchlässige Membran.
2. Sie sind (relativ) spezifisch für bestimmte Ionen.
3. Sie öffnen und schließen sich als Reaktion auf spezifische elektrische, chemische oder mechanische Signale.

Man unterscheidet drei Haupttypen von Ionenkanälen:

• Spannungsabhängige Ionenkanäle: Diese Kanäle öffnen und schließen sich in Abhängigkeit vom Membranpotential.
• Ligandengesteuerte Ionenkanäle: Diese Kanäle öffnen sich, wenn ein spezifisches Molekül (Ligand), wie z.B. ein Neurotransmitter, an den Kanal bindet.
• Mechanisch aktivierte Ionenkanäle: Diese Kanäle öffnen und schließen sich als Reaktion auf mechanische Reize wie Druck oder Zug.

Die Ionenkanäle in Neuronen zeichnen sich durch ihre Schnelligkeit und hohe Leitfähigkeit aus. Sie können etwa 12 Millionen Ionen pro Sekunde passieren lassen, was einen Strom von etwa zwei Picoampere erzeugt. Dabei sind die Kanäle selektiv für bestimmte Ionen. Kaliumkanäle sind beispielsweise etwa hundertfach leitfähiger für Kalium als für Natrium, während Natriumkanäle etwa zwanzigfach leitfähiger für Natrium als für Kalium sind. Neben den Kationen Natrium und Kalium wird auch die Passage von Anionen wie Chlorid reguliert.

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Die Rolle von Ionenpumpen

Funktionell stehen den Ionenkanälen die Ionenpumpen gegenüber. Diese komplexen Proteine, die ebenfalls in der Membran sitzen, trennen Natrium und Kalium voneinander. Sie verbrauchen Energie, um Natrium und Chlorid aus der Zelle heraus und Kalium in die Zelle hineinzupumpen. Durch diese ungleiche Verteilung der Ionen entsteht eine elektrische Ladung oder Polarität über der Membran, die als Spannung in Volt angegeben wird. Nervenzellen sind im Ruhezustand etwa 70 Tausendstel Volt negativer geladen als ihre Umgebung.

Membranpotential und Reizweiterleitung

Das Membranpotential und die Konzentrationsunterschiede der Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle sind entscheidend dafür, wie eine Nervenzelle auf einen Reiz reagiert. Eine Verringerung der negativen Ladung (Depolarisation) führt zur Erregung der Zelle, während eine Erhöhung der negativen Ladung (Hyperpolarisation) die Zelle hemmt.

Selektivität der Ionenkanäle

Die Selektivität der Ionenkanäle für bestimmte Ionen beruht auf der Struktur der Kanäle und den Eigenschaften der Ionen. Natrium und Kalium tragen beide eine positive Ladung, aber Natrium ist kleiner und hat daher ein größeres elektrisches Feld. Wassermoleküle umgeben geladene Teilchen und bilden eine Hydrathülle. Die Kanalinnenwand enthält Aminosäuren mit Ladungen, die als molekulares Sieb fungieren und die Ionen selektieren. Die Energie, die die geladenen Aminosäuren zur Verfügung stellen, muss dem Wert entsprechen, den das Ion durch den Verlust seiner Wasserhülle verliert. Aminosäuren mit hoher Ladung, wie Aspartat oder Glutamat, bevorzugen Natriumionen, während Aminosäuren mit geringerer Ladung Kaliumionen bevorzugen.

Öffnungs- und Schließmechanismen von Ionenkanälen ("Gating")

Ionenkanäle sind keine dauerhaft offenen Löcher in der Membran, sondern verfügen über Öffnungs- und Schließmechanismen, die als "Gating" bezeichnet werden. Es gibt drei prinzipielle Klassen von Kanälen:

• Spannungsabhängige Ionenkanäle: Die geladenen Aminosäuren in der Kanalpore reagieren auf das Membranpotential und verschieben sich, bis die Pore unpassierbar wird.
• Ligandengesteuerte Ionenkanäle: Diese Kanäle öffnen sich, wenn ein Signalmolekül (Ligand) an die Außenseite des Kanals bindet und die Gestalt des Kanalproteins verändert.
• Mechanisch aktivierte Ionenkanäle: Wenn die Innenseite des Kanals mit dem Zytoskelett der Zelle verbunden ist, können Zug-, Druck- oder Scherbewegungen die Pore öffnen oder schließen.

Klinische Relevanz von Ionenkanälen

Mutationen in Genen, die für Ionenkanäle kodieren, können zu Veränderungen in der Leitfähigkeit der Kanäle für bestimmte Ionen führen. Dies kann dazu führen, dass Nervenzellen auf ein Eingangssignal mit einer ganzen Serie von Ausgangssignalen reagieren, was beispielsweise einigen Formen der Epilepsie zugrunde liegt. Auch das Anion Chlorid spielt eine wichtige Rolle, da es als Gegenspieler zu den positiv geladenen Kationen dient und so ein präzises Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung gewährleistet.

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Ligandengesteuerte Ionenkanäle sind in der klinischen Forschung von besonderem Interesse, da ihre Spannungsabhängigkeit nach der Entwicklung kaum noch verändert werden kann. Durch den Einsatz von Medikamenten können Ionenkanäle dazu gebracht werden, sich länger oder kürzer, schneller oder langsamer zu öffnen oder zu schließen. Viele Gifte aus der Natur interferieren ebenfalls mit Ionenkanälen, was ihre Bedeutung für die Funktion des Nervensystems unterstreicht.

Die Rolle von Kationen und Anionen bei der Informationsweiterleitung

Nervenzellen leiten Informationen in Form von elektrischen Impulsen weiter. Diese Impulse entstehen durch die Bewegung von Ionen über die Zellmembran. Die Zellmembran ist semipermeabel und ermöglicht den Transport bestimmter Ionen. Im Ruhezustand ist die Membran für Kaliumionen gut durchlässig, für Chloridionen etwas schlechter und für Natriumionen sehr gering. Für organische Anionen ist sie überhaupt nicht durchlässig.

Kaliumionen strömen entlang des Konzentrationsgefälles in den extrazellulären Raum, wodurch eine elektrische Spannung entsteht: Im Inneren entsteht ein Überschuss an negativen Ladungen, außen ein Überschuss an positiven Ladungen. Diese Ladungsdifferenz wird zusätzlich durch einströmende Chloridionen erhöht. Kaliumionen strömen jedoch nicht bis zum vollständigen Konzentrationsausgleich nach außen, da die elektrische Spannung dem Ausströmen entgegenwirkt. Dadurch stellt sich ein Gleichgewicht ein.

Eine wichtige Rolle spielt auch der aktive Transport über die Natrium-Kalium-Pumpe. Diese Pumpe tauscht drei Natriumionen aus dem Inneren der Zelle gegen zwei Kaliumionen aus dem extrazellulären Raum und trägt so zur Aufrechterhaltung des Ruhepotentials bei.

Aktionspotential

Eine elektrische Reizung am Axonhügel der Nervenzelle löst eine Veränderung der Ionenkonzentration an der Innen- und Außenseite der Axonmembran aus. Bei Wirbeltieren sind die Axone von Myelinscheiden umhüllt, die für eine schnellere Weiterleitung der Informationen sorgen. Ionenkanäle und Kontakt mit dem Außenmedium hat das Axon nur an den Ranvierschen Schnürringen. Das Aktionspotential springt dann von Schnürring zu Schnürring (saltatorische Erregungsleitung).

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Damit ein Aktionspotential ausgelöst wird, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:

1. Der Reiz muss bewirken, dass das Membranpotential positiver wird.
2. Die Reizintensität muss so hoch sein, dass die Depolarisation einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.

Wird der Schwellenwert erreicht, öffnen sich schlagartig die spannungsgesteuerten Natriumionenkanäle und anschließend auch Kaliumkanäle. Das Aktionspotential springt zum nächsten Schnürring, die Ionenkanäle schließen sich wieder und das ursprüngliche Ionenverhältnis stellt sich ein. In dieser Zeit befinden sich die spannungsgesteuerten Ionenkanäle in der Refraktärzeit, in der sie nicht wieder geöffnet werden können.

• Depolarisation: Natriumionen strömen nach Öffnung der spannungsgesteuerten Kanäle ins Axon.
• Repolarisation: Kaliumkanäle öffnen sich und Kaliumionen strömen nach außen.

Rezeptorpotential

Als Rezeptorpotential wird eine Polarisation der Membran durch einfließende Natriumionen bezeichnet. Es handelt sich um ein lokales Potential, welches elektrisch weitergeleitet wird. Die Intensität eines Reizes wird durch die Frequenz der Aktionspotentiale bestimmt. Die Qualität eines Reizes wird anhand der Nervenbahn bestimmt, über welche die Erregung im Gehirn ankommt.

Summation von Potentialen

Elektrische Potentiale, die von einer Nervenzelle über die Dendriten aufgenommen werden, sammeln sich am Axonhügel. Hier werden alle ankommenden Potentiale miteinander verrechnet. Man unterscheidet zwischen zeitlicher und räumlicher Summation.

• Zeitliche Summation: Mehrere, schnell aufeinander folgende Potentiale lösen an der Synapse eine größere Reaktion aus.
• Räumliche Summation: Die von einer Nervenzelle erhaltenen Informationen sind teils erregende postsynaptische Potentiale und teils hemmende postsynaptische Potentiale.

Bioelektrizität und Membranpotential

Jede tierische Zelle ist gegenüber ihrer Umgebung elektrisch geladen. Diese Bioelektrizität spielt insbesondere in den Sinneszellen der Sinnesorgane und den Nervenzellen eine wichtige Rolle. Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle, die durch Elektronenüberschuss (Anionen) oder -mangel (Kationen) entstehen. Für die Erregungsleitung in Nervenzellen ist es wichtig, dass Strom fließt, d.h. dass sich Ionen bewegen. Dies kann nur geschehen, wenn Anionen und Kationen ungleichmäßig verteilt sind.

In tierischen Zellen trennt die Zellmembran die Ladungen und erzeugt so ein Membranpotential. Die Membran ist fast undurchlässig für Ionen, die die Membran nur über Kanäle passieren können. Diese Kanäle sind nicht immer geöffnet und lassen nur bestimmte Ionen passieren.

Alle tierischen Zellen weisen im Inneren eine andere Ionenkonzentration auf als außerhalb. Im Inneren befinden sich wenige Natrium- und Chloridionen, aber viele Kaliumionen und organische Anionen. Außen ist es umgekehrt. Für jeden Ionentyp besteht ein Konzentrationsgefälle.

Ein elektrischer Impuls führt zur kurzzeitigen Öffnung von Ionenkanälen und zu einem verstärkten Ionenfluss. Das Membranpotential ändert sich kurzzeitig. Auf diese Weise werden von den Sinnesorganen aufgenommene Reize in Form von elektrischen Impulsen an das Zentrale Nervensystem weitergeleitet.

Das Ruhepotential

Das Ruhepotential (oder Ruhemembranpotential) beschreibt die elektrische Spannung zwischen Außen- und Innenseite erregbarer Zellen im Ruhezustand. Es beträgt bei Nervenzellen etwa -70 mV. Die ungleiche Verteilung der Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle führt zur Entstehung dieses Potentials. Verantwortlich dafür sind:

• Konzentrationsgradienten: Ionen haben eine zufällige Eigenbewegung und streben einen Konzentrationsausgleich an.
• Membranpermeabilität: Die Zellmembran ist nicht für alle Ionen gleich durchlässig. Im Ruhezustand ist sie vor allem für Kaliumionen durchlässig.
• Natrium-Kalium-Pumpe: Diese Pumpe transportiert unter Energieverbrauch Natriumionen aus der Zelle heraus und Kaliumionen in die Zelle hinein und erhält so die Ionenkonzentration aufrecht.

Das Ruhepotential ist ein dynamisches Gleichgewicht, bei dem sich der Ausstrom von Kaliumionen und der Einstrom von Natriumionen kompensieren. Es dient der Energiegewinnung durch die Potentialdifferenz, die später zur Informationsübertragung genutzt werden kann.

Synapsen und Neurotransmitter

Am Ende eines Axons befinden sich Verdickungen, die Endknöpfchen, die in die Kontaktstelle (Synapse) zu einer anderen Zelle ragen. Um die Information an diese Zelle weiterzugeben, muss der elektrische Impuls zunächst in ein chemisches Signal umgewandelt werden. Dies geschieht durch die Ausschüttung eines Neurotransmitters, der am Axonende in Vesikeln bereitgehalten wird. Die Neurotransmitter docken an spezifische Rezeptoren der nachgeschalteten Zelle (postsynaptischen Membran) an und verursachen dort eine Änderung der Spannung über der Membran. Sofern die Änderung groß genug ist, werden die Impulse als Erregung weitergeleitet.

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