Begegnungen mit der Natur 6, Schulbuch

60 Neurobiologie M Arbeitsheft Seite 14 Erregungsbildung und Erregungsleitung Die Vorgänge der Erregungsbildung und Erregungsleitung sind an die Mem- branen der Sinnes- bzw. Nervenzellen gebunden. Beim nicht erregten Neuron ist das Zellinnere gegenüber dem umgebenden Medium negativ geladen Im erregungsfreien Zustand besteht aufgrund einer unterschiedlichen Ionen- konzentration zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Nervenzelle ein Ladungsunterschied : Im Zellinneren haben wir eine hohe Konzentration an Kaliumionen (K + ) und organischen Anionen (geladene Proteine oder organische Säurereste, A – ). Außerhalb der Zelle herrscht eine hohe Konzentration an Natriumionen (Na + ) und Chloridionen (Cl – ). In der Zellmembran befinden sich Ionenkanäle – viele Kalium- und wenige Natriumionenkanäle –, die eine Ionenwanderung ermöglichen ( Abb. 3). Während viele K + durch die Zellmembran nach außen wandern können, gelingt dies im Umgekehrten den Na + nur schwer, Cl – kaum und den A – gar nicht. Da mit jedem K + eine positive Ladung aus dem Zellinneren entfernt wird bzw. in den Zellaußenraum dazukommt, wird die Innenseite gegenüber der Außenseite negativ geladen ( Ruhepotenzial , Abb. 6 a). Aufgrund der Anziehung unterschiedlicher Ladungen lagern sich im Zellinne- ren die negativen, an der Außenseite positive Ionen an der Zellmembran an. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält das Ruhepotenzial aufrecht Dem (wenn auch geringen) Eindringen von Na + wirkt die Natrium-Kaliumio- nenpumpe ( Abb. 4) entgegen. Sie befördert gegen das Konzentrationsgefäl- le (also unter Energieaufwand) pro Zyklus drei Na + nach außen und zwei K + nach innen. Dadurch wird die elektrische Spannung von –70 bis –90mV zwi- schen außen und innen aufrechterhalten. Das Aktionspotenzial ist eine Abweichung vom Ruhepotenzial In der Membran gibt es auch Ionenkanäle, deren Öffnungszustand span- nungsabhängig ist. Dies ist die Voraussetzung für das Zustandekommen des Aktionspotenzials: Erfolgt ein Reiz, öffnen sich spannungsabhängige Na + -Kanäle. Aufgrund des Konzentrationsgefälles strömen nun plötzlich Na + -Ionen ein (Depolarisation; Abb. 6 b), was zur Öffnung weiterer Na + -Kanäle führt. Auf diese Weise erfolgt eine Ladungsumkehr (Depolarisation, Abb. 6 c), die Innenseite wird gegenüber der Außenseite positiv geladen (die elektrische Spannung beträgt etwa +30mV). Die Na + -Kanäle schließen sich kurz nach dem Öffnen (nach ein bis zwei Millisekunden) und werden für kurze Zeit inaktiv (Erholungsphase), gleichzeitig öffnen sich spannungsabhängige K + -Kanäle, die den vermehrten Ausstrom von K + zulassen ( Abb. 6 d). Die Innenseite wird dadurch wieder negativ, kurzfristig sogar über das Ruhepotenzial hinaus (Hyperpolarisation). Mit dem Schließen der Kaliumkanäle ist das Aktionspotenzial beendet. Das Spannungsverhältnis des Ruhepotenzials wird durch die Na + -K + -Pumpe (Na + nach außen, K + nach innen) wieder hergestellt (Repolarisation). Erst das Überschreiten eines Schwellenwerts löst ein Aktionspotenzial aus Ein Aktionspotenzial wird nur ausgelöst, wenn der Reiz stark genug war. Ein schwacher Reiz depolarisiert die Membran nur geringfügig, es stellt sich sofort wieder das Ruhepotenzial ein. Erst das Überschreiten eines kritischen Werts ( Schwellenwert ), löst ein Aktionspotenzial in voller Höhe aus. Viele unterschwellige Reize können sich summieren und so den Schwellenwert erreichen. 3 Kaliumionen-Verteilung und resul- tierendes Potenzial an der Membran Ladungsunterschied elektrische Spannung Ruhepotenzial elektrische Spannung an der Membran der nicht erregten Nervenzelle Energieaufwand Die Tätigkeit der Natrium-Kaliumionen- pumpen im menschlichen Körper be- nötigt etwa 20% des Energieumsatzes. Schwellenwert liegt bei –50mV Aktionspotenzial Ein Aktionspotenzial entsteht ganz oder gar nicht (Alles oder Nichts Regel). Die Dauer beträgt nur wenige Millisekun- den. 4 Natrium-Kaliumpumpe 5 Verlauf eines Aktionspotenzials selektiver K + -Ionenkanal außen innen K + K + Na + Na + außen Membran ATP ADP+P innen K + Na + Membranpotenzial [mV] Zeit [ms] 40 20 0 -20 -40 -60 -80 1 2 3 Repolarisation Hyperpolarisation Depolarisation Schwelle Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verl gs öbv