Die menschliche Wahrnehmung der Umwelt ist ein komplexer Prozess, der auf der Funktion spezialisierter Zellen basiert: der Sinneszellen. Diese Zellen wandeln verschiedene Reize in elektrische Signale um, die vom Nervensystem verarbeitet werden können. Innerhalb der Sinneszellen lassen sich zwei Haupttypen unterscheiden: primäre und sekundäre Sinneszellen. Dieser Artikel beleuchtet die Unterschiede zwischen diesen beiden Zelltypen und ihre jeweiligen Funktionen im Körper.
Grundlagen der Sinneszellen
Sinneszellen sind spezialisierte Neuronen, die bestimmte Reize wahrnehmen und in elektrische Erregung umwandeln. Sie sind die Schnittstelle zwischen der äußeren und inneren Welt und ermöglichen es uns, Licht, Schall, Gerüche, Geschmäcker und Berührungen wahrzunehmen. Die Reizaufnahme erzeugt ein Rezeptorpotential. Übersteigt dies einen Schwellenwert, so wird in der Sinneszelle ein Aktionspotential ausgebildet.
Primäre Sinneszellen
Definition und Funktion
Primäre Sinneszellen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie ein eigenes Axon besitzen. Sie können Aktionspotenziale weiterleiten und sind somit in der Lage, die durch einen Reiz ausgelöste Erregung direkt zum zentralen Nervensystem (ZNS) zu transportieren. Das Rezeptorpotenzial wandert zum Axonhügel und wird dort in Aktionspotentiale (APs) umgewandelt, wenn der Schwellenwert erreicht wird.
Beispiele für primäre Sinneszellen
- Riechzellen: Die Riechzellen in der Nasenschleimhaut sind ein typisches Beispiel für primäre Sinneszellen. Geruchsmoleküle binden an Rezeptoren in den Cilien der Riechzellen, was eine Signalkaskade auslöst. Ein First Messenger (der Duftstoff) bindet an Rezeptoren und aktiviert Second Messenger (wie cAMP) im Zellinneren. Dies führt zur Erzeugung eines Aktionspotentials, das zum Gehirn weitergeleitet wird.
- Berührungsrezeptoren der Haut: Ebenso gilt dies für die Berührungsrezeptoren der Haut, aber auch die Dehnungsrezeptoren von Muskeln, Bändern, Sehnen.
- Mechanorezeptoren der Haut: Die Mechanorezeptoren der Haut, welche Berührungen aufnehmen, Thermorezeptoren oder Muskelspindeln.
Reizcodierung und Adaptation
Primäre Sinneszellen können Reize auf unterschiedliche Weise codieren, was die Wahrnehmung verschiedener Intensitäten und Qualitäten ermöglicht.
- Phasisch-tonische Rezeptoren: Es existiert ein intensives Anfangssignal, welches langsam auf Null zurückgefahren wird.
- Spontan-aktive Rezeptoren: Spontan-aktive Rezeptoren senden stets ein Signal aus.
Sekundäre Sinneszellen
Definition und Funktion
Sekundäre Sinneszellen besitzen kein Axon, weshalb auf direktem Wege kein Aktionspotential ausgebildet werden kann. Im Gegensatz zu primären Sinneszellen besitzen sekundäre Sinneszellen kein eigenes Axon und können keine Aktionspotenziale erzeugen. Sie leiten das Rezeptorpotenzial zur Synapse weiter und schütten dort Transmitter aus. Vielmehr führt das gebildete Rezeptorpotential zur Ausschüttung von Neurotransmittern, die in einer nachgeschalteten Nervenzelle oberhalb eines entsprechenden Schwellenwerts in ein Aktionspotential umgewandelt werden.
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Beispiele für sekundäre Sinneszellen
- Haarzellen im Innenohr: Haarzellen sind Sinneszellen im Innenohr, die das Hören, also die Wahrnehmung von Schallwellen ermöglichen. Unterscheiden lassen sich im Innenohr die inneren von den äußeren Haarzellen. Die Stereozilien der inneren Haarzellen werden durch Scherbewegungen abgelenkt, was zur Öffnung von Kationenkanälen und zur Depolarisation der Zelle führt. Nach dem Calcium-Einstrom werden Neurotransmitter in einen synaptischen Spalt freigesetzt. Bei diesen Transmittern handelt es sich um Glutamat, welches die nachgeschalteten afferenten Nervenfasern erregt.
- Geschmackssinneszellen: Die Geschmackssinneszellen sind nur kurzlebige Zellen innerhalb der Geschmacksknospen auf der Zunge. Bei süßen und bitteren Stoffen sowie welchen, die als Umami wahrgenommen werden, erfolgt zunächst eine Aktivierung über einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor. Über eine intrazelluläre Kaskade öffnen sich letztendlich Kationenkanäle, was einen Einstrom von positiv geladenen Ionen nach sich zieht. Der Kationeneinstrom führt zu einer Depolarisation, wodurch das Membranpotenzial positiver wird und sich dadurch spannungsabhängige Calcium-Kanäle öffnen können. Salzig oder sauer schmeckt man, weil die Depolarisation direkt erfolgt. Salz, also NaCl ist im Speichel gelöst und die Natriumionen können direkt über Natrium-Kanäle in die Zelle einströmen, was zu einer Depolarisation führt.
- Fotorezeptoren der Retina: Ein Beispiel sind die Fotorezeptoren der Retina. In Dunkelheit enthalten die Photorezeptorzellen hohe Konzentrationen an dem Second Messenger cGMP, die Natriumkanäle offen halten. Trifft Licht auf ein Photopigment wie Rhodopsin in Stäbchen oder Photopsin in Zapfen, wird das darin enthaltene Retinal von der 11-cis- in die all-trans-Form isomerisiert. Durch den sinkenden cGMP-Spiegel schließen sich die cGMP-abhängigen Ionenkanäle, der Natrium- und Calcium-Einstrom stoppt, und die Zelle hyperpolarisiert.
Reizweiterleitung bei sekundären Sinneszellen
Bei sekundären Sinneszellen wird ein Reiz in ein sogenanntes Rezeptorpotenzial umgewandelt, das die Ausschüttung von Neurotransmittern an der Synapse zur nachgeschalteten Nervenzelle auslöst. Diese Nervenzelle erzeugt dann ein Aktionspotenzial, das zur Weiterleitung des Signals ins zentrale Nervensystem führt. Die Reizweiterleitung erfolgt also chemisch über eine Synapse, nicht elektrisch durch ein eigenes Axon.
Warum können sekundäre Sinneszellen keine Aktionspotenziale erzeugen?
Sekundäre Sinneszellen können keine Aktionspotenziale erzeugen, weil sie kein eigenes Axon besitzen und ihnen die dafür notwendigen spannungsgesteuerten Natriumkanäle fehlen. Stattdessen reagieren sie auf Reize mit einem graduellen Rezeptorpotenzial, das zur Freisetzung von Neurotransmittern an eine nachgeschaltete Nervenzelle führt.
Vergleich von primären und sekundären Sinneszellen
| Merkmal | Primäre Sinneszellen | Sekundäre Sinneszellen |
|---|---|---|
| Eigenes Axon | Ja | Nein |
| Aktionspotenzial erzeugen | Ja | Nein |
| Reizweiterleitung | Direkte Weiterleitung über das Axon | Indirekte Weiterleitung über Neurotransmitter an eine nachgeschaltete Nervenzelle |
| Beispiele | Riechzellen, Berührungsrezeptoren der Haut | Haarzellen im Innenohr, Geschmackssinneszellen, Fotorezeptoren der Retina |
| Vorkommen | Sekundäre Sinneszellen kommen vor allem im Innenohr (Hör- und Gleichgewichtsorgan) sowie in den Geschmacksknospen der Zunge vor. | |
| Reizcodierung | Je stärker der ursprüngliche Reiz, desto höher wird das Rezeptorpotenzial und desto mehr Aktionspotenziale werden ausgelöst. So codiert dein Nervensystem Reizstärken. | |
| Rezeptorpotential | Das Rezeptorpotenzial wandert zum Axonhügel und wird dort in APs umgewandelt, wenn der Schwellenwert erreicht wird. | In diesem Fall ist es zwingend notwendig, dass ein Neuron nachgeschaltet ist, damit ein Aktionspotenzial generiert werden kann. |
| Signaltransduktion | Das Grundprinzip ist immer gleich: Ein First messenger (der Duftstoff) bindet an Rezeptoren und aktiviert Second messenger (wie cAMP) im Zellinneren. | Bei sekundären Sinneszellen (Geschmack) bindet Glucose an Rezeptoren, aktiviert G-Proteine und öffnet Ionenkanäle. |
| Besonderheit | Hinweis: Sekundäre Sinneszellen kommen fast nur bei Wirbeltieren vor! |
Reizcodierung - phasisch-tonische und spontan-aktive Rezeptorreaktionen
Wie die Reize codiert werden, bestimmt der Rezeptortyp, der den Impuls aufnimmt. So unterscheidet man phasisch-tonische und spontan-aktive Rezeptorreaktionen.
- Als „phasisch“ kann man einen Lichtblitz ansehen. Es handelt sich um ein Signal, dessen Intensität innerhalb kürzester Zeit auf das Nullniveau zurückfällt.
- Der Begriff „tonisch“ hingegen ist sehr gut am Beispiel eines Lichtstrahls zu erläutern. Er hält lange an und weist dabei immer die gleiche Intensität auf.
- Unter phasisch-tonisch versteht man daher die Kombination aus beiden Sachverhalten. Es existiert ein intensives Anfangssignal, welches langsam auf Null zurückgefahren wird.
- Spontan-aktive Rezeptoren senden stets ein Signal aus.
Rezeptoren einfach erklärt
Der Begriff Rezeptor leitet sich vom lateinischen recipere ab, was so viel bedeutet, wie empfangen oder aufnehmen. Rezeptoren können Sinneszellen oder Proteinkomplexe zur Reizweiterleitung sein. Sinneszellen nehmen chemische oder physikalische Reize auf, wandeln sie in ein elektrisches Signal um und leiten es an das zentrale Nervensystem des Organismus.
Rezeptortypen
Sinnesrezeptoren sind hochselektiv und reagieren nur auf einen adäquaten Reiz. Daher lassen sie sich anhand der aufgenommenen Reize in verschiedene Kategorien einordnen. So gibt es z. B. Fotorezeptoren, Mechanorezeptoren, Chemorezeptoren und Thermorezeptoren.
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| Rezeptortyp | Aufgenommene äußere Reize | Aufgenommene innere Reize |
|---|---|---|
| Fotorezeptor | Licht | |
| Mechanorezeptor | Druck, Geräusche | Änderung der Körperhaltung, Muskelspannung |
| Chemorezeptor | Geschmack, Geruch | Glukosegehalt, pH-Wert, Sauerstoffsättigung des Blutes |
| Thermorezeptor | Außentemperatur | Körpertemperatur |
Rezeptoren - Funktion
Sinnesrezeptoren sind spezialisierte Zellen, welche Reize aufnehmen und diese in elektrische Signale umwandeln können. Diese elektrischen Signale werden in Form eines Aktionspotenzials an die nächste Zelle weitergegeben und somit an das zentrale Nervensystem weitergeleitet. Ein Aktionspotenzial beschreibt die kurzzeitige Umkehr des elektrischen Potenzials der Zellmembran einer Nervenzelle.
Reizstärke
Allgemein ist die Intensität des Rezeptorpotentials proportional zur Stärke des Reizes. Denn es gilt, je höher die Reizstärke ist, umso höher ist auch die Frequenz der aufeinanderfolgenden Aktionspotenziale. So kannst Du etwa unterschiedliche laute Töne voneinander unterscheiden. Zudem dauert das Rezeptorpotenzial so lange an, wie der Reiz auf den Rezeptor einwirkt.
Adaptation an Reiz
Hält ein Reiz über einen längeren Zeitraum mit gleicher Intensität an, gewöhnt sich Dein Körper daran. Diesen Prozess nennt man Adaptation. Insgesamt kann man die Rezeptoren anhand ihrer unterschiedlichen Anpassung an lang-einwirkende Reize in drei verschiedene Gruppen unterteilen:
- Phasische Sinnesrezeptoren: Zeigen eine Adaptation bei einem konstanten Reiz. Ihre Reizantwort nimmt ab und es kommt zu einer “Gewöhnung” an den Reiz.
- Tonische Rezeptoren: Bei tonischen Rezeptoren wie Schmerzrezeptoren nimmt die Aktionspotenzialfrequenz jedoch nicht mit der Zeit ab. Es findet also keine Anpassung an den Reiz statt.
- Phasisch-tonische Rezeptoren: Die letzte Gruppe, die phasisch-tonischen Rezeptoren, stellen ein Mischform dar und sind im menschlichen Körper am häufigsten zu finden.
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