Reizweiterleitung in Nervenzellen: Eine Zusammenfassung für die Biologie-Klausur

Das menschliche Nervensystem ist ein komplexes Netzwerk, das ständig Informationen verarbeitet und Reaktionen steuert. Die Neurobiologie befasst sich mit der Struktur und Funktion von Nervenzellen, der Reizweiterleitung und der Kommunikation zwischen Neuronen. Die Reizweiterleitung in Nervenzellen ist ein komplexer Prozess, der auf der Veränderung des elektrischen Potentials der Zellmembran basiert.

Grundlagen der Nervenzelle (Neuron)

Eine Nervenzelle, auch Neuron genannt, ist die grundlegende Einheit des Nervensystems. Stell dir vor, dein Körper reagiert blitzschnell auf einen heranfliegenden Ball - das funktioniert nur durch ein perfekt organisiertes Nervensystem. Eine Nervenzelle (Neuron) hat drei Hauptteile, die du dir merken solltest:

• Der Zellkörper (Soma) enthält den Kern und die wichtigsten Zellorganellen.
• Die Dendriten sind kurze, verzweigte Fortsätze, die Signale von anderen Neuronen empfangen. Merktipp: Dendriten = empfangen, Axon = senden.
• Das Axon ist ein langer, schlanker Fortsatz, der Signale an andere Nervenzellen, Muskel- oder Drüsenzellen weiterleitet. Bei Wirbeltieren sind viele Axone von einer Myelinscheide umgeben - das sind Hüllzellen, die wie ein Isolierband wirken. Zwischen diesen Hüllzellen liegen die Ranvierschen Schnürringe. Gliazellen, insbesondere die Schwann'schen Zellen, umhüllen das Axon und bilden eine isolierende Schicht.

Ruhepotential

Auch wenn eine Nervenzelle gerade "ruht", ist sie elektrisch aktiv! An der Zellmembran herrscht eine Spannung von -70 mV - das Ruhepotential. Diese negative Ladung entsteht durch eine ungleiche Ionenverteilung. Außen sind viele Natrium-Ionen (Na+) und Chlorid-Ionen (Cl-), innen befinden sich hauptsächlich Kalium-Ionen (K+) und große organische Anionen. Das Ruhepotential wird durch die Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten. Dieses Transportprotein pumpt ständig Natrium nach außen und Kalium nach innen - gegen deren natürliche Diffusionsrichtung. Dafür braucht es Energie in Form von ATP.

Einfluss von Ionen auf das Ruhepotential

• K+ - Ionen: Wandern nach außen, bis sich ein elektrisches Feld aufgebaut hat, weil die Membran K+ -Ionen durchlässig ist. Dieses elektrische Feld bremst den weiteren Ausstrom der Ionen.
• Cl- -Ionen: Für sie ist die Membran aber nicht so gut durchlässig. Die Innenseite der Membran lädt sich gegenüber der Außenseite negativ auf.
• Na+ -Ionen: Wandern kaum nach innen, weil die Membran für sie kaum durchlässig ist.
• Organische Anionen: Können die Membran nicht passieren.

Die Rolle der Natrium-Kalium-Pumpe

Nur durch die Na+- K+- Pumpe kann Na+ nach außen gelangen. Wenn keine K+ -Ionen nach innen gelangen, kann die Pumpe nicht arbeiten, weil der Tausch nicht stattfinden kann. Das bedeutet, dass weniger Na+ ausströmt. Die Zufuhr von DNP blockiert die ATP-Produktion. Ohne ATP kann die Pumpe nicht arbeiten, weil ATP die notwendige Energie liefert. Die Na+ - K+- Pumpe kann also ohne ATP nicht gegen das Konzentrationsgefälle arbeiten. Ohne ATP diffundieren also ständig kleine Mengen Na+ -Ionen nach innen und infolge davon K+-Ionen nach außen. Diese Ionenströme durch die Axonmembran werden durch den aktiven Transportmechanismus ausgeglichen. DNP blockiert die ATP Produktion, dadurch diffundiert Na+ nach innen und K+ nach außen.

Aktionspotential

Wird eine Nervenzelle stark genug gereizt, passiert etwas Spektakuläres: Das Aktionspotential entsteht. Dabei kehrt sich die Ladung kurzzeitig um - aus -70 mV werden +40 mV! Die Depolarisation startet erst, wenn ein Schwellenwert erreicht wird. Ein Aktionspotential folgt dem "Alles-oder-Nichts-Prinzip": Entweder es entsteht vollständig oder gar nicht - die Stärke des Reizes ändert nichts an der Höhe des Signals. Hodgkin und Huxley erklärten, was während eines Aktionspotentials auf molekularer Ebene abläuft.

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Phasen des Aktionspotentials

Eine Lernkartei-App könnte die Phasen des Aktionspotentials in der richtigen Reihenfolge darstellen:

1. Ruhepotential: Der Ausgangszustand der Nervenzelle.
2. Depolarisation: Während der Depolarisationsphase öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle, was zu einem starken Einstrom von Natriumionen führt. Natrium-Ionen strömen in die Nervenzelle ein und das Membranpotential steigt von -70mV auf positive Werte an. Sie besteht aus einer Initialphase und einem explosionsartigen Aufstrich, wenn der Schwellenwert überschritten wird. Wenn am Axonhügel der Schwellenwert erreicht wird, strömen wieder Natriumionen rein.
3. Repolarisation: Die Repolarisation beginnt, weil die Natrium-Kanäle zeitgesteuert wieder schließen und gleichzeitig Kalium-Kanäle öffnen. K+-Ionen strömen nach außen und bringen die Zelle zurück zum Ruhepotential. Spannungsgesteuerte Kalium-Kanäle öffnen sich und Kalium-Ionen strömen aus der Zelle aus, wodurch das Membranpotential wieder negativer wird und zum Ruhezustand zurückkehrt.
4. Hyperpolarisation: Kurzzeitige Unterschreitung des Ruhepotentials.

Erregungsleitung

Ein Aktionspotential bleibt nicht an einer Stelle, sondern wandert entlang des Axons. Es gibt zwei Arten der Erregungsleitung:

1. Kontinuierliche Erregungsleitung: Diese findet in Axonen ohne Gliazellen statt, wie beispielsweise beim Tintenfisch. Stell dir vor, du willst eine Nachricht von deinem Gehirn zu deinem Fuß schicken - bei der kontinuierlichen Erregungsleitung läuft das wie eine Dominokette ab. Alles startet am Axonhügel, wenn der Schwellenwert überschritten wird. Dann öffnen sich die Ionenkanäle und positive Ionen strömen rein. Um das auszugleichen, wandern positive Ionen zur Nachbarregion und negative Ionen strömen zurück.
2. Saltatorische Erregungsleitung: Diese Art der Erregungsleitung kommt in Axonen mit Gliazellen vor, wie beim Menschen. Bei myelinisierten Fasern läuft es viel effizienter ab: Die Myelinscheide isoliert das Axon, sodass Aktionspotentiale nur an den Ranvierschen Schnürringen entstehen können. Die saltatorische Erregungsleitung ist wie das Upgrade der Nervensignale - viel schneller und energiesparender! Der Trick ist genial: Das Aktionspotential springt einfach von einem Schnürring zum nächsten, anstatt jeden Millimeter abzuklappern. Bei Menschen erfolgt dies über die saltatorische Erregungsleitung, wobei das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring "springt", was die Leitgeschwindigkeit auf bis zu 100 m/s erhöht. Das ist deutlich schneller als die kontinuierliche Erregungsleitung, die nur etwa 1 m/s erreicht.

Die Leitungsgeschwindigkeit hängt vom Axondurchmesser ab: Dicke Fasern leiten schneller als dünne. Wirbellose Tiere haben teilweise riesige Axone entwickelt, um schnell zu werden.

Synaptische Übertragung

Die Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen zwei Nervenzellen oder zwischen einer Nervenzelle und einer Muskel- oder Drüsenzelle. An Synapsen wird die elektrische Erregung chemisch übertragen. Wenn ein Aktionspotential ankommt, öffnen sich Calcium-Kanäle, Ca²+-Ionen strömen ein und lösen die Freisetzung von Neurotransmittern aus. Die Übertragung erfolgt an der Synapse, wo das elektrische Signal (Aktionspotential) in ein chemisches umgewandelt wird. Wenn das Aktionspotential die Synapse erreicht, öffnen sich Calcium-Kanäle, wodurch Calcium einströmt und die Vesikel mit Neurotransmittern zur präsynaptischen Membran bewegt werden. Der wichtigste Neurotransmitter an der neuromuskulären Synapse ist Acetylcholin (ACh). Nach der Signalübertragung wird ACh durch das Enzym Cholinesterase abgebaut. Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran, was zur Öffnung von Natriumkanälen führt. Die Reizweiterleitung Synapse ist damit ein komplexer Prozess, der für die Kommunikation zwischen Nervenzellen essentiell ist.

Postsynaptische Potentiale

• EPSP (Erregendes Postsynaptisches Potential): Erregend wirkende Depolarisation der postsynaptischen Zelle durch Öffnung der Na+-Ionenkanäle an der postsynaptischen Membran. Erregende Synapse: Postsynaptische Membran wird durch Transmitter depolarisiert -> EPSP entsteht. Rein passives Potential, das die Entstehung eines Aktionspotentials hemmen oder fördern kann. Es ist lokal begrenzt und wird nicht weitergeleitet. Keine Refraktärphase.
• IPSP (Inhibitorisches Postsynaptisches Potential): Hyperpolarisation der postsynaptischen Zelle durch Öffnung der K+- oder Cl--Ionenkanäle an der postsynaptischen Membran.

Neuronale Verrechnung und Plastizität

Die neuronale Verrechnung ist ein wichtiger Aspekt der Informationsverarbeitung im Nervensystem. Neuronale Plastizität bezieht sich auf die Fähigkeit des Nervensystems, seine Struktur und Funktion als Reaktion auf Erfahrungen zu verändern. Von neuronaler Plastizität spricht man beim Lernprozess, wenn sich die Effizienz der Reizweiterleitung in den Synapsen verbessert. Dies geschieht durch Erhöhung der Neurotransmitter (wie Glutamat), Vermehrung der Rezeptoren an der postsynaptischen Membran und durch Bildung neuer Synapsen. Diese strukturellen Veränderungen führen zur Entstehung von neuronalen Netzen, die für das Langzeitgedächtnis wichtig sind.

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Die Gedächtnisbildung läuft über drei Stufen ab:

1. Das Ultrakurzgedächtnis speichert wenige Sekunden als elektrische Signale.
2. Das Kurzzeitgedächtnis hält etwa 20 Minuten durch Proteinbildung.

Zusammenfassung

Die Reizweiterleitung in Nervenzellen ist ein komplexer, aber faszinierender Prozess. Sie ermöglicht es uns, blitzschnell auf unsere Umwelt zu reagieren, Informationen zu verarbeiten und zu lernen. Das Verständnis der Grundlagen von Ruhepotential, Aktionspotential und synaptischer Übertragung ist essentiell für das Verständnis der Funktionsweise des Nervensystems.

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