16 Ist der Akku deines Handys geladen, treibt ein Ladungsungleichgewicht den Stromfluss an. An einem Pol herrscht ein Überschuss an Elektronen, am anderen ein Mangel. Auch Neuronen sind elektrisch geladen. Im Unterschied zu technischen Akkus sind nicht freie Elektronen die Ladungsträger, sondern Ionen – und es gibt Ionenströme statt Elektronenströmen. Der Ladungsunterschied wird an der Membran der Neuronen erzeugt bzw. ständig aufrechtgehalten – man spricht von einem Ruhepotenzial. Die Membran ist selbst neutral und für Ionen nahezu undurchlässig. Wie kommt es also zum Ruhepotenzial? In die Membran sind spezielle Proteinmoleküle eingebaut (kAbb. 8). Diese Kanal- und Transportproteine erlauben den Durchtritt von Ionen. Kanalproteine bilden in ihrem offenen Zustand Poren, durch die nur bestimmte Ionen hindurch können – die Proteine sind also selektiv. Man unterscheidet Na+-, K+- und Cl–-Kanäle. Die meisten Kanäle sind im Ruhezustand geschlossen. Für alle Kanalproteine gilt: Ionen strömen nur dann in eine Richtung, wenn auf der einen Seite ein Konzentrationsüberschuss herrscht. Transportproteine haben eine andere Funktion: Als Ionenpumpen benötigen sie Energie (in Form von ATP), um Ionen durch die Membran zu befördern. Dafür können sie auch gegen die Konzentrationsgefälle arbeiten, das heißt, sie können Ionen auf einer Seite der Membran anhäufen. Die Membran der Neuronen trägt eine Ladung Kanalproteine erlauben den Durchtritt von Ionen entlang eines Konzentrationsgefälles Transportproteine können Ionen auch gegen ein Konzentrationsgefälle bewegen Abb. 8: Ionenkanäle und -pumpen regeln in der Membran von Neuronen den Durchtritt von Ionen. + ADP ATP + A Ionenkanäle bilden im geöffneten Zustand eine Pore für jeweils eine bestimmte Ionenart. Größe, Ladung und Hydrathülle des Moleküls (Hülle aus Wassermolekülen um die Ionen) entscheiden über die Durchtrittsmöglichkeit. Proteine (P – ) und große organische Anionen (A – ) können die Membran nicht passieren. Sie tragen im Zellinnenraum die meisten negativen Ladungen. Ionenpumpen befördern Ionen unter Energieaufwand gegen ihr Konzentrationsgefälle durch die Membran. Die Lipiddoppelschicht des Neurons ist undurchlässig für Ionen. K+ P– A– Na+ offen offen geschlossen äußeres Milieu Zellinnenraum K+-Kanal Na+-Kanal Natrium-Kalium-Pumpen in Aktion Auch im völligen Ruhezustand arbeiten deine Neuronen permanent, um Na+-Ionen aus dem Neuron hinaus und K+-Ionen ins Neuron hineinzupumpen. Nachdem im Inneren größere negativ geladene Moleküle festsitzen (sie können nicht durch die Membran), entsteht dort ein Überschuss an negativen Ladungen. Daher folgen kleine negative Cl–-Ionen dem Ladungsgefälle und sammeln sich außen an (kAbb. 9). Warum müssen die Pumpen dann permanent arbeiten? Da die Membran nicht perfekt dicht ist, strömen Ionen ständig wieder zurück. Die Ionenpumpen halten ein Ungleichgewicht aufrecht, das sich von allein sehr schnell wieder ausgleichen würde (für diese Tätigkeit benötigt das Gehirn des Menschen nahezu ein Fünftel des Grundumsatzes). Dieser Unterschied erzeugt eine elektrische Spannung: Zwischen außen und innen herrscht ein Unterschied von ca. –70mV. Ionenpumpen halten das Ungleichgewicht aufrecht (außen Na+ und Cl–, innen K+ und negativ geladene Moleküle) und stellen eine Spannung von –70mV her P– K+-Kanal äußeres Milieu Zellinnenraum Ionenkonzentration Na+ Na+ Cl– –70mV K+ A– negativ geladenes Protein 4–5 120–155 K+ 120–130 Cl– 4–5 140–150 5–15 A– 155 Na+ Abb. 9: Die Ionenverteilung an der Neuronenmembran bestimmt das Ruhepotenzial. (Das Zellinnere ist negativ geladen, weswegen der Spannungsunterschied mit –70mV angegeben wird.) 1.2 Potenziale am Neuron Ionenpumpen und Ionenkanäle Das Ruhepotenzial: Ionen- und Spannungsunterschied Nur zu Prüfzwecken – Eige tum des V rlags öbv
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