Unser Körper ist auf ein Zusammenspiel vieler verschiedener Gewebe und Organe angewiesen um zu funktionieren. Hierfür braucht es eine gute Abstimmung zwischen den einzelnen Zellen und eine schnelle Kommunikation oft auch über weitere Strecken hinweg. Diese schnelle Zellkommunikation kann durch die Übertragung von elektrochemischen Signalen gewährleistet werden. Dazu werden geladene Teilchen, sogenannte Ionen, transportiert deren Verteilung in den Zellen genau kontrolliert wird. Einsteht durch diesen Ionentransport eine Ladungsveränderung der Zelle, spricht man von elektrogenem Transport.
Da innerhalb und außerhalb von Zellen verschiedene geladene Ionen (siehe Kapitel Elektrolyte) in unterschiedlichen Konzentrationen vorliegen, kommt es an den Zellmembranen zu einer charakteristischen Ladungsverteilung. Hier spricht man von einem Potential.
Ruhepotential
Als Ruhepotential bezeichnet man das Membranpotential, das sich im Ruhezustand einer Zelle aus der Summe aller Ladungen innerhalb und außerhalb ergibt (d.h. für alle Ionen hat sich ein Fließgleichgewicht eingestellt). Das Ruhepotential hängt vor allem von der Verteilung der Natrium- und Kalium-Ionen ab, für die es diverse Transportsysteme in Zellmembranen gibt. Die wichtigste Rolle beim Aufrechterhalten des Ruhepotentials spielt die Natrium-Kalium-ATPase. Das Ruhepotential ist je nach Zelle unterschiedlich, es liegt jedoch im Bereich zwischen -70mV und -90mV.
Aktionspotential
Kommt es nun durch einen Reiz zum Einstrom von geladenen Ionen in die Zelle, ändert sich dieses Potential, dies wird als Aktionspotential bezeichnet. Die Zelle wird durch den Einstrom von geladenen Teilchen zunächst nur langsam depolarisiert, bis sie ein sogenanntes Schwellenpotential von ca. -50mV erreicht. Daraufhin kommt es zu einer schlagartigen Depolarisation die zu einer kurzfristigen positiven Polarisation der Membran (Überschuss, ca. 30mV) führt, bevor eine schnelle Repolarisationsphase beginnt und das Membranpotential wieder negativ wird. Das Membranpotential sinkt so für einen kurzen Zeitraum sogar unter den Wert des Ruhepotentials, was man als Hyperpolarisation bezeichnet. Erst danach kehrt die Zelle zu ihrem Ruhepotential zurück.
Die Veränderung des Membranpotentials ist darauf zurückzuführen, dass sich die Leitfähigkeit der Membran (v.a. für die Ionen Na+ und K+) ändert. Im Grundzustand ist die Leitfähigkeit der Membran für Kalium deutlich größer, als die für Natrium, was sich in der Depolarisationsphase schlagartig ändert, da sich viele Natriumkanäle öffnen. Zeitverzögert kommt es dann auch zu einer gesteigerten Leitfähigkeit der Membran für Kalium, was zur Repolarisation und – sobald die Natriumkanäle wieder geschlossen sind – zur kurzzeitigen Hyperpolarisation der Membran führt.
Die Refraktärzeit beschreibt die Zeit nach der Depolarisation in der eine Zelle nicht erneut oder nur schwer erregt werden kann. Dies hängt vor allem mit der Inaktivierung der Natriumkanäle zusammen, die essentiell für die Erregungsweiterleitung sind.
In Nervenzellen gibt es zwei Mechanismen zur Weiterleitung von Aktionspotentialen, die sogenannte kontinuierliche Reizleitung und die sogenannte saltatorische Reizleitung. Die langsamere, kontinuierliche Reizleitung erfolgt dadurch, dass das Aktionspotential jeweils die Depolarisation des angrenzenden Zellabschnitts initiiert. Ein Zurücklaufen des Reizes in die falsche Richtung wird durch die Refraktärzeit unterbunden. Bei der wesentlich schnelleren, saltatorischen Reizleitung ist die Zellmembran von einer Myelinschicht umgeben, welche durch die sogenannten Ranvier-Schnürringe unterbrochen ist. So kann das Potiential von Schnürring zu Schnürring springen, wodurch eine schnellere Erregungsleitung garantiert ist.
Quellen
Heinrich et al. (Hrsg.): Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie. 9. Auflage Springer 2014, ISBN: 978-3-642-17971-6.
Trepel: Neuroanatomie: Struktur und Funktion. 5. Auflage Urban & Fischer 2011, ISBN: 978-3-437-41299-8.
Berg et al.: Biochemie. 7. Auflage Springer Spektrum 2012, ISBN: 978-3-827-42988-9.
Abbildungen
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