Erregungsleitung und Synapsen: Besonderheiten und Mechanismen

Die Erregungsleitung und die synaptische Übertragung sind fundamentale Prozesse für die Funktion des Nervensystems. Sie ermöglichen die schnelle und gezielte Weiterleitung von Informationen im Körper. Dieser Artikel beleuchtet die Besonderheiten der Erregungsleitung in Nerven- und Muskelzellen sowie die komplexen Mechanismen der synaptischen Übertragung.

Einführung in die Erregungsleitung

Die Erregungsleitung ist die Weiterleitung elektrischer Signale in Nerven- und Muskelzellen. Diese Weiterleitung ist essentiell, damit der Körper auf Reize reagieren und Befehle des Gehirns ausführen kann. Der Prozess beginnt typischerweise am Axonhügel eines Neurons, wo ein Aktionspotential entsteht. Dieses Aktionspotential wird dann entlang des Axons weitergeleitet, um die nächste Zelle zu erreichen. Oft werden die Begriffe Reizleitung oder Reizweiterleitung anstelle von Erregungsleitung verwendet.

Kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung

Es gibt zwei Hauptarten der Erregungsleitung: die kontinuierliche und die saltatorische Erregungsleitung.

Kontinuierliche Erregungsleitung

Bei der kontinuierlichen Erregungsleitung müssen die elektrischen Signale kontinuierlich (fortlaufend) entlang des Axons weitergeleitet werden. Diese Art der Weiterleitung ist vergleichsweise langsam. Sie kann aber erhöht werden, indem der Durchmesser der Leitungsbahn erhöht wird. Denn dadurch nimmt der Innenwiderstand ab. Das kannst du dir vorstellen wie bei einem Wasserschlauch: je dicker er ist, desto mehr Wasser kann in gleicher Zeit durchfließen. Das ist der Grund, warum zum Beispiel die Riesenaxone von Tintenfischen und Meeresschnecken einen Durchmesser von bis zu einem Millimeter haben.

Saltatorische Erregungsleitung

Die meisten Nervenzellen sind wie elektrische Kabel isoliert. Diese Isolation wird durch die Myelinscheide oder Markscheide umgeben. Die Myelinschicht bildet aber keine durchgehende Umhüllung, sondern ist im Abstand von etwa 0,5-2 mm immer wieder unterbrochen. Diese Unterbrechungen ermöglichen eine saltatorische Erregungsleitung.

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Die saltatorische Erregungsleitung ist der Turbo-Modus deiner Nervenfasern. Hier springt das Signal von Schnürring zu Schnürring - wie ein Frosch, der von Seerosenblatt zu Seerosenblatt hüpft. Bei der kontinuierlichen Erregungsleitung muss das Signal jeden Millimeter des Axons "erobern".

Ablauf der saltatorischen Erregungsleitung

1. Auslösung des Aktionspotenzials: Damit eine Erregungsweiterleitung stattfinden kann, muss es zunächst einmal einen Reiz geben. Dieser muss stark genug sein, um am Axonhügel der Nervenzelle ein Schwellenpotenzial von - 40 bis - 50 mV herbeizuführen. Nun findet eine Potenzialumkehr statt. Das heißt, dass sich Natrium-Kanäle in der Membran öffnen. Durch den Einstrom von Natrium-Ionen wird das im Ruhezustand negative Axoninnere positiv (bis ca. + 30 mV) im Vergleich zur äußeren Umgebung. Diese Änderung des Membranpotenzials bezeichnet man als Aktionspotenzial.
2. Weiterleitung der Erregung: Durch die Bildung des Aktionspotenzials weist der vordere Axonabschnitt eine positivere Ladung auf als der benachbarte, noch unerregte Axonabschnitt (dort herrscht ein Ruhepotenzial von ca. - 70 mV). Es besteht also ein Ladungsunterschied zwischen erregtem und noch nicht erregten Bereich. Dieser Ladungsunterschied führt nun dazu, dass Ionen zwischen den beiden Axonabschnitten fließen, um den Unterschied auszugleichen. Die Ausgleichs-Strömchen-Theorie (oder kurz Strömchen-Theorie) basiert auf der Annahme solcher ausgleichenden Ionen- oder Kreisströme.
3. Refraktärzeit: Nach Ablauf eines Aktionspotenzials ist die Membran für kurze Zeit unerregbar (absolute Refraktärphase), da die Kanäle schließen und für eine Zeit nicht mehr öffnen. Auch bei überschwelligen Reizen kommt es dann an den Kanälen nicht zur Öffnung. Das führt dazu, dass das Aktionspotenzial nur in die Richtung der Stellen mit noch geöffneten Kanälen (Richtung Axonende) weiterlaufen kann. Außerdem wird so die Dauer des Aktionspotenzials begrenzt.

Vorteile der saltatorischen Erregungsleitung

Die saltatorische ist gegenüber der kontinuierlichen Erregungsleitung die effizientere Methode. Das liegt an folgenden Punkten:

• Hohe Reaktionsgeschwindigkeit: Durch eine höhere Erregungsleitungsgeschwindigkeit kann das Signal schneller bei den entsprechenden Muskelfasern ankommen, sodass auch die geplante Bewegung schneller ausgeführt werden kann. Diese schnelleren Reaktionen bilden einen Überlebensvorteil.
• Material- & Platzeinsparungen: Da die Erregungsleitung an sich schon sprunghaft schnell abläuft, kann am Durchmesser der Axone gespart werden. Das heißt man muss nicht so viel Baumaterial für Nervenfasern und Platz verbrauchen.
• Energiereduktion: In den Internodien markhaltiger Axone gibt es so gut wie keine Na+-Kanäle und Na+-K+-Pumpen, die sehr viel Energie verbrauchen würden. Diese findet man fast nur an den Schnürringen. Durch diese Eingrenzung wird bei der saltatorischen Erregungsleitung auch Energie eingespart.

Einflussfaktoren auf die Erregungsleitungsgeschwindigkeit

Es gibt einige Faktoren, die die Geschwindigkeit der Erregungsleitung beeinflussen:

• Myelinisierung: Wie du inzwischen weißt, kommt es an myelinisierten Axonen zur saltatorischen Erregungsübertragen. Da hier die Erregungsleitung von Schnürring zu Schnürring "springt", ist die Übertragung des elektrischen Signals recht schnell. Dem gegenüber werden in marklosen Axonen Erregungen kontinuierlich weitergeleitet. Es werden also ständig neue Aktionspotenziale hergestellt, wodurch es länger dauert bis das elektrische Signal am Ende des Axons angekommt.
• Faserdurchmesser: Je größer der Nervenfaserdurchmesser, umso größer die Leitungsgeschwindigkeit. Dadurch sinkt nämlich der Innenwiderstand. Das kannst du dir vorstellen, wie bei einer Tür: Je breiter sie ist, desto schneller kann die Klasse raus laufen, weil mehr Schüler*innen hindurch passen.
• Temperatur: Es gibt für die optimale Erregungsleitung auch einen optimalen Temperaturbereich. Darüber und darunter ist die Geschwindigkeit herabgesetzt.

Synapsen: Die Schaltstellen des Nervensystems

Schlussendlich ermöglicht die Erregungsleitung die Weiterleitung eines elektrischen Signals ans Ende einer Nervenzelle. Wenn das Signal am Ende des Neurons angelangt ist, findet an der Synapse (Kontaktstelle) die Erregungsübertragung auf die nächste Zelle statt.

Was sind Synapsen?

Synapsen sind Verbindungsstellen zwischen zwei Zellen, die Informationen (Reize/Erregungen) weiterleiten. Innerhalb jeder Nervenzelle werden die Reize dann als elektrische Signale weitergeleitet. Obwohl Synapsen grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, gibt es verschiedene Synapsentypen.

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Arten von Synapsen

Je nach Funktionalität unterscheidet man im Allgemeinen zwei Typen von Synapsen:

• Chemische Synapse: Die Übertragung der Erregung erfolgt durch einen Neurotransmitter, einem chemischen Botenstoff. Die Erregungsweiterleitung kann nur in eine Richtung erfolgen. Diese Synapse herrscht bei Säugetieren vor und wird in diesem Kapitel behandelt.
• Elektrische Synapse: Die Übertragung der Erregung erfolgt an zwei eng aneinanderliegenden Membranen über spezielle Ionenkanäle, den Konnexionen. Es findet ein direkter Austausch von Ladungsträgern statt, die zur Erzeugung eines Aktionspotentials führen. Die Erregungsweiterleitung kann in beide Richtungen erfolgen. Die Synapsen finden sich überall dort, wo eine besonders rasche Reizübertragung notwendig ist.

Vorgänge an der chemischen Synapse

1. Aktionspotential erreicht das Endknöpfchen: Das Signal (Aktionspotential) erreicht das Ende der Axonmembran -> Spannungsänderung!
2. Calcium-Ionen-Einstrom: Spannungsabhängige Ca2+-Kanäle öffnen sich. Ca2+-Ionen strömen in das Endknöpfchen -> Positivierung -> Depolarisation der Membran!
3. Neurotransmitter-Freisetzung: Mit Neurotransmitter gefüllte Vesikel wandern intrazellulär zur Präsynapse und verschmelzen dort mit der Membran. Ihr Inhalt wird in den synaptischen Spalt freigesetzt.
4. Bindung an Rezeptoren: Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Postsynapse. Der Neurotransmitter bindet an Rezeptoren der postsynaptischen Membran und ruft eine spezifische Wirkung hervor.
5. Abbau des Neurotransmitters: Ein spezielles Enzym baut den Transmitter ab: Acetylcholin wird z.B. von der Cholinesterase in zwei transportable Bestandteile, Acetat und Cholin, gespalten.
6. Wiederaufnahme und Regeneration: Die Produkte der Spaltung diffundieren zurück in die Präsynapse: Acetat und Cholin werden zurück zur präsynaptischen Membran transportiert und dort aktiv aufgenommen. Im Endknöpfchen werden Acetat und Cholin wieder zu Acetylcholin regeneriert. Der Zyklus kann erneut beginnen.

Ionotrope und metabotrope Rezeptoren

• Ionotrop: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der gleichzeitig als Ionenkanal fungiert. Dieser Ionenkanal öffnet sich und lässt Ionen einfließen.
• Metabotrop: Der Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der das Signal weitergibt, welches zur Bildung eines Second Messengers führt. Dieser Second Messenger führt zu einem Effekt; z.B. Einbau von bestimmten Ionenkanälen

Neurotransmitter und ihre Wirkung

Das elektrische Signal wird in der präsynaptischen Membran in ein chemisches Signal umgewandelt. Wenn ein Aktionspotential die Membran des synaptischen Endknöpfchens depolarisiert, erfolgt der Einstrom von Calciumionen. Dies löst die Fusion der synaptischen Vesikel mit der Synapsenmembran (präsynaptische Membran) aus. Die Vesikel setzen enthaltene Neurotransmitter frei, die über den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran diffundieren. Dort binden sie an bestimmte Rezeptoren und öffnen dadurch spezielle Ionenkanäle (z.B. Natrium-Kanäle). Dies ermöglicht den Einstrom von Natriumionen und damit die Depolarisation der postsynaptischen Membran. Enzymatischer Abbau des Neurotransmitters führt zum Abbruch der Signalweitergabe.

Neben Acetylcholin wird eine Reihe weiterer Neurotransmitter im ZNS (zentralen Nervensystem) benutzt. Ihre Wirkungsweise ist je nach Zelltyp, in dem sie vorkommen, unterschiedlich. Des Weiteren hängt sie maßgeblich von der Rezeptorfunktion ab.

Störungen der synaptischen Übertragung

Substanzen, die die Reizweiterleitung an chemischen Synapsen stören oder verhindern können. Sie hemmen dann die Informationsübertragung an Synapsen an unterschiedlichen Stellen. Ein Beispiel ist Sarin, ein tödliches Nervengift, das dein Nervensystem durch Täuschung lahmlegt. Das perfide: Sarin blockiert die Enzyme, die normalerweise die Neurotransmitter abbauen. Die Folgen sind dramatisch: Muskelkrämpfe, Atemlähmung und schließlich der Tod durch Überreizung des Nervensystems. Atropin dient als Gegenmittel, kann aber nur helfen, wenn es rechtzeitig eingesetzt wird.

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