Die saltatorische Erregungsleitung ist ein faszinierender Mechanismus, der es Nervenzellen ermöglicht, elektrische Signale schnell und effizient über lange Strecken zu übertragen. Um die saltatorische Erregungsleitung einfach zu erklären, betrachten wir zunächst, wie Nervenzellen, auch Neuronen genannt, Informationen weiterleiten.
Wie Neuronen Informationen weiterleiten
Der Befehl vom Gehirn, beispielsweise "Klick auf die Maus!", wird in einem Neuron als elektrisches Signal, genauer gesagt als Aktionspotenzial, am Axonhügel ausgelöst. Dieses Signal wird entlang des Axons bis zum Zielort, beispielsweise dem Finger, weitergeleitet. Es gibt zwei Hauptformen der Erregungsübertragung: die saltatorische und die kontinuierliche Erregungsleitung.
Kontinuierliche Erregungsleitung: Die Grundlagen
Nervenfasern ohne Myelinisierung, also marklose Neurone, leiten Erregungen kontinuierlich weiter. Das Aktionspotenzial wird durch ständigen Ausgleich von Ladungsunterschieden zwischen bereits erregten und noch nicht erregten Membranstellen weitergeleitet.
Ablauf der kontinuierlichen Erregungsleitung
- Auslösung des Aktionspotenzials: Die Erregung muss stark genug sein, um am Axonhügel das Schwellenpotenzial von -40 bis -50 mV zu erreichen. Dann findet eine Potenzialumkehr statt, bei der sich Ionenkanäle öffnen und das negative Membranruhepotential des Axons positiv wird (bis ca. +30 mV). Dadurch entsteht ein Aktionspotenzial.
- Weiterleitung der Erregung: Durch das Aktionspotenzial entsteht ein depolarisierter Membranabschnitt mit einem positiven Membranpotential. Es entsteht ein Ladungsunterschied zwischen diesem erregten Bereich und dem noch nicht erregten Abschnitt mit negativem Ruhepotential.
- Ausgleichsströmchen: Ionen fließen zwischen den beiden Axonabschnitten, um den Ladungsunterschied auszugleichen (Ausgleichs-Strömchen-Theorie). Diese Ströme depolarisieren die Membran in Richtung des Axonendes.
- Neues Aktionspotenzial: Wird das Schwellenpotential erreicht, öffnen sich auch in diesem Bereich die Na+-Kanäle, und ein neues Aktionspotenzial entsteht. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das Ende des Axons erreicht ist.
Gerichtete Erregungsleitung
Die ständig neu gebildeten Aktionspotenziale werden durch Ionenströme immer in Richtung Axonendköpfchen geleitet, nicht rückwärts. Dies liegt an der Refraktärzeit: Nach einem Aktionspotenzial ist die Membran für kurze Zeit unerregbar, da sich die spannungsgesteuerten Natriumkanäle erst regenerieren müssen.
Einflussfaktoren auf die kontinuierliche Erregungsleitung
- Myelinisierung: An marklosen Axonen kommt es zu kontinuierlichen Erregungsübertragungen, die langsamer sind.
- Faserdurchmesser: Je größer der Nervenfaserdurchmesser, desto größer die Leitungsgeschwindigkeit.
- Temperatur: Eine Temperaturerhöhung im physiologischen Bereich kann die Leitungsgeschwindigkeit steigern.
Saltatorische Erregungsleitung: Der springende Punkt
Die saltatorische Erregungsleitung ist ein hocheffizienter Mechanismus der Reizweiterleitung, der in Axonen mit Myelinschicht stattfindet. Viele Axone im peripheren Nervensystem sind durch einen Mantel aus speziellen Zellen (Schwann-Zellen) elektrisch isoliert. Dabei entsteht keine durchgängige Umhüllung; die Abschnitte, an denen das Axon frei liegt, werden Ranviersche Schnürringe genannt.
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Der Mechanismus der saltatorischen Erregungsleitung
- Myelinisierung: Bei myelinisierten Axonen ist die Nervenfaser durch die Myelinschicht elektrisch isoliert. Die Myelinschicht verhindert Leckströme, erhöht den Membranwiderstand und senkt die elektrische Kapazität.
- Ranviersche Schnürringe: Spannungsabhängige Natriumkanäle finden sich hauptsächlich an den Ranvierschen Schnürringen, den einzigen Stellen, an denen die Isolierung unterbrochen ist.
- Depolarisation: Ein Aktionspotential am Axonhügel führt zu einer Depolarisation des Membranpotentials. Natriumionen strömen im Axoninneren bis zum nächsten Schnürring und lösen dort eine erneute Depolarisation aus.
- "Sprunghafte" Weiterleitung: Die Erregung "springt" von einem Schnürring zum nächsten, wodurch die Leitungsgeschwindigkeit deutlich erhöht wird.
Vorteile der saltatorischen Erregungsleitung
- Höhere Geschwindigkeit: Die saltatorische Erregungsleitung ist erheblich schneller als die kontinuierliche Erregungsleitung.
- Energieeffizienz: Da Aktionspotentiale nur an den Schnürringen gebildet werden, wird weniger Energie benötigt.
Vergleich: Kontinuierliche vs. Saltatorische Erregungsleitung
| Merkmal | Kontinuierliche Erregungsleitung | Saltatorische Erregungsleitung |
|---|---|---|
| Myelin-Ummantelung | Nicht vorhanden (marklos) | Vorhanden (markhaltig) |
| Erregungsübertragung | Fortschreitend | Sprunghaft |
| Leitungsgeschwindigkeit | Eher langsam (v = 1 m/s bis max. 25 m/s) | Eher schnell (v = bis zu 120 m/s) |
| Axondurchmesser | Eher groß (bis 1 mm) | Eher klein |
| Vorkommen | Vor allem in wirbellosen Tieren | In Wirbeltieren fast ausschließlich |
| Depolarisation | Fortlaufend das Axon | An den Ranvierschen Schnürringen |
| Energieverbrauch | Höher | Niedriger |
Warum ist die saltatorische Erregungsleitung schneller?
Bei der kontinuierlichen Erregungsleitung werden ständig neue Aktionspotenziale gebildet, was die Weiterleitung verlangsamt. Die saltatorische Erregungsleitung hingegen nutzt die isolierenden Myelinscheiden, um die Erregung schnell von Schnürring zu Schnürring "springen" zu lassen.
Was beschleunigt die Erregungsleitung?
- Myelinisierung: Ein myelinisiertes Neuron leitet Erregungen schneller.
- Großer Innendurchmesser: Ein größerer Durchmesser des Axons verringert den Innenwiderstand.
Die Rolle der Myelinscheide
Die Myelinscheide spielt eine entscheidende Rolle bei der saltatorischen Erregungsleitung. Sie verhindert Leckströme und sorgt dafür, dass die Depolarisation effizient zum nächsten Schnürring weitergeleitet wird.
Aufbau der Myelinscheide
Die Myelinscheide wird von Gliazellen gebildet:
- Schwann-Zellen: Im peripheren Nervensystem.
- Oligodendrozyten: Im zentralen Nervensystem.
Diese Zellen wickeln sich mehrfach um das Axon und bilden so eine isolierende Schicht aus Myelin.
Klinische Bedeutung
Erkrankungen, die die Myelinscheide schädigen, wie z.B. Multiple Sklerose, können die Erregungsleitung beeinträchtigen und zu neurologischen Symptomen führen.
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Aktionspotenziale bei Pflanzen und Tieren: Ein Vergleich
Aktionspotenziale sind kurzfristige Änderungen des elektrischen Membranpotenzials von Zellen, die sich im Organismus weiterverbreiten. Bei Pflanzen und Tieren sind die zugrundeliegenden Mechanismen ähnlich, aber nicht identisch.
Aktionspotenziale bei Pflanzen
- Auslösendes Ereignis: Mechanische Reizung (Berührung), chemische Signale, Verletzung oder plötzliche Änderungen der Umweltbedingungen (z.B. Licht, Temperatur).
- Depolarisation der Membran: Durch den Einstrom von Calziumionen (Ca2+).
- Repolarisation: Durch den Ausstrom von Kaliumionen (K+).
- Signalweiterleitung: Ausbreitung von der Reizstelle aus.
- Physiologische Antwort: Variiert je nach Art und Funktion der betroffenen Zellen.
Aktionspotenziale bei Tieren
- Vor allem in Nervenzellen (Neuronen) und Muskelzellen zu finden.
- Werden hauptsächlich durch den schnellen Ein- und Ausstrom von Natrium- (Na+) und Kaliumionen (K+) durch spezifische Ionenkanäle in der Zellmembran verursacht.
- Die Signalübertragung ist viel schneller als bei Pflanzen.
Geschwindigkeitsunterschiede
Die typischen Geschwindigkeiten für die Ausbreitung von Aktionspotentialen betragen bei Tieren zwischen einem und 100 Meter pro Sekunde, bei Pflanzen lediglich einige Millimeter bis einige Zentimeter pro Sekunde.
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