Nervenzellen sind essenziell für die Informationsübertragung im Körper. Sie funktionieren ähnlich wie Internetkabel, die blitzschnell Signale zwischen Gehirn, Organen und Muskeln weiterleiten. Die Neurophysiologie untersucht die elektrischen Prozesse in unserem Nervensystem, wobei Themen wie Nervenzellen, Membranpotenzial, Aktionspotenzial, Ruhepotenzial, Synapsen und Erregungsweiterleitung im Fokus stehen. Das Ruhepotential ist dabei ein fundamentaler Aspekt.
Grundlagen der Nervenzellen
Neuronen, oder Nervenzellen, sind spezialisierte Zellen, die elektrische Signale aufnehmen und weiterleiten. Jede Nervenzelle besteht aus verschiedenen Teilen:
- Soma (Zellkörper): Enthält alle wichtigen Organellen wie Zellkern und Mitochondrien.
- Axonhügel: Die Schaltzentrale, die entscheidet, ob ein Signal weitergeleitet wird.
- Axon: Der lange "Draht", der Signale vom Soma zur Synapse transportiert.
Das Ruhepotenzial von etwa -70 mV ist vergleichbar mit einem geladenen Akku, der sicherstellt, dass die Nervenzelle jederzeit bereit ist, ein Signal zu senden.
Die semipermeable Zellmembran
Die semipermeable Zellmembran trennt das Zellinnere vom Äußeren und spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials. Im Ruhezustand sind hauptsächlich Kaliumkanäle geöffnet. Kaliumionen (K+) haben das Bestreben, aufgrund des Konzentrationsgradienten nach außen zu diffundieren, wodurch das Zellinnere negativ geladen wird.
Die Natrium-Kalium-Pumpe arbeitet wie ein "Türsteher" mit ATP-Power: Sie pumpt drei Natrium-Ionen (Na+) aus der Zelle und zwei Kalium-Ionen hinein. Dieser aktive Transport trägt wesentlich zur Aufrechterhaltung der Ionenkonzentrationsgradienten bei.
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Das Kaliumgleichgewichtspotential
Das Ruhepotential wird maßgeblich durch das Kaliumgleichgewichtspotential bestimmt. Kaliumionen sind die einzigen Ionen, die sich im Ruhezustand frei bewegen können, da die Membran selektiv permeabel für sie ist. Sie werden durch die Natrium-Kalium-Pumpe aktiv ins Zellinnere transportiert, wo sie sich ansammeln. Anschließend sickern sie, ihrem Konzentrationsgradienten folgend, durch offene Kaliumkanäle wieder nach außen.
Dieser Ausstrom von positiv geladenen Kaliumionen führt zu einer Ladungstrennung an der Membran, wodurch eine messbare elektrische Spannung entsteht. Dieser Prozess läuft jedoch nur bis zu einem gewissen Punkt, da die zunehmende negative Ladung im Zellinneren den weiteren Ausstrom von Kaliumionen bremst. Es entsteht ein Gleichgewichtszustand, das Kaliumgleichgewichtspotential.
Das Kaliumgleichgewichtspotential wird durch zwei Faktoren bestimmt:
- Ungleichverteilung von Kalium: Die Natrium-Kalium-Pumpe sorgt für eine hohe Kaliumkonzentration im Inneren der Zelle und eine niedrige Konzentration außerhalb.
- Selektive Permeabilität der Membran für Kalium: Die offenen Kaliumkanäle ermöglichen den Ausstrom von Kaliumionen.
Durch die Ladungstrennung, die durch das Hinaussickern der positiv geladenen Kaliumionen entsteht, wird eine messbare elektrische Spannung erzeugt, die etwa -65 Millivolt (mV) beträgt.
Die Abweichung vom Kaliumgleichgewichtspotential
Obwohl das Ruhepotential hauptsächlich durch das Kaliumgleichgewichtspotential bestimmt wird, gibt es eine geringfügige Abweichung. Diese Abweichung liegt an der Diffusion anderer Ionenarten, insbesondere Natriumionen (Na+), durch die Membran. Da Natriumionen positiv geladen sind und in geringem Umfang in die Zelle eindringen, wird das Ruhepotential etwas positiver (-65 mV) als es allein durch Kaliumionen wäre.
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Das Ruhepotential beim Tintenfisch
Um zu beweisen, dass in einer Nervenzelle elektrische Spannung vorhanden ist, wurde ein Riesenaxon eines Tintenfisches als Versuchsobjekt verwendet und in Meerwasser eingetaucht.
Kontinuierliche Erregungsleitung beim Tintenfisch
Beim Tintenfisch läuft die Erregungsweiterleitung kontinuierlich entlang des Axons ab. Im Gegensatz zur saltatorischen Erregungsleitung bei Menschen, bei der das Aktionspotenzial von Ranvierschen Schnürring zu Ranvierschen Schnürring "springt", erfolgt die kontinuierliche Erregungsleitung über die gesamte Länge des Axons. Da Tintenfische keine Myelinscheide besitzen, die das Axon isoliert, müssen sie den Faserdurchmesser vergrößern, um die Leitungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Aus diesem Grund haben Tintenfische Riesenaxone mit einem Durchmesser von bis zu einem Millimeter.
Bioelektrizität im Körper
Der Körper ist ein riesiges elektrisches Netzwerk. Nervenzellen, Sinneszellen und Hautzellen sind besonders auf elektrische Signale spezialisiert. Da Lebewesen zu etwa 80 % aus Wasser bestehen, fließen die Ionenströme in wässriger Lösung. Die Zellmembran wirkt dabei wie ein Isolator und trennt die Ladungen.
Ein einfaches Experiment verdeutlicht das Prinzip: Teilt man einen Behälter mit einer semipermeablen Membran, die nur für Kaliumionen (K+) durchlässig ist, entsteht automatisch eine Spannung. Dieser Prozess stoppt jedoch, wenn die elektromotorische Kraft (EMK) genauso stark ist wie das Konzentrationsgefälle. Das Gleichgewichtspotential kann für jedes Ion berechnet werden. Beim Tintenfisch-Riesenaxon liegt es für K+ bei -76 mV und für Na+ bei +55 mV.
Aktionspotential und Erregungsleitung
Das Ruhepotential ist die Grundlage für das Aktionspotential, das für die Signalübertragung in Nervenzellen unerlässlich ist. Ein Aktionspotential ist wie ein Dominoeffekt, der in nur 1-2 Millisekunden durch die Nervenzelle rast.
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- Depolarisation: Natriumkanäle öffnen sich, und Na+-Ionen strömen ins Zellinnere. Das negative Potenzial wird schwächer, und die Zelle depolarisiert.
- Repolarisation: Natriumkanäle schließen sich, und Kaliumkanäle öffnen sich. K+-Ionen strömen raus und machen das Zellinnere wieder negativ.
Aktionspotentiale folgen dem Alles-oder-Nichts-Gesetz: Entweder sie entstehen vollständig oder gar nicht.
Synapsen und Informationsübertragung
Synapsen sind die Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen, wo Information nur in eine Richtung fließt. Die Informationsübertragung läuft in drei Schritten ab: elektrisch → chemisch → elektrisch.
- Wenn ein Aktionspotential ankommt, öffnen sich Calciumkanäle.
- Calcium-Ionen lösen die Freisetzung von Neurotransmittern aus.
- Diese Botenstoffe diffundieren durch den synaptischen Spalt und docken an Rezeptoren der Postmembran an.
Synapsengifte können diesen Prozess stören, indem sie Rezeptoren blockieren oder dauerhaft aktivieren.
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