Nervenzelle und AP

1. Bau der Nervenzelle
Die Nervenzelle, auch als Neuron bezeichnet, setzt sich zusammen aus
einem etwa 0,25 mm großen Zellkörper (Soma) und mehreren Fortsätzen,
den Dendriten. Im Zellkörper befindet sich der Zellkern, der die
Steuerung übernimmt und die Erbanlagen enthält. Die aus dem
Zellkörper herausragenden Dendriten sind kurz und stark verästelt.
Einer dieser Fortsätze kann sehr lang werden und wird als
Nervenfaser oder Axon bezeichnet. Dieses Axon kann beim Menschen bis
zu 1 m lang werden. Axone werden von Schwanschen Zellen umgeben. Da
diese jedoch kürzer sind als die Axone, sind mehrere
aneinandergereiht. Die Markscheiden sind an das Axon gereiht, wie
Perlen an einer Schnur. Sie dienen als Isolierschicht. Die
vorhandenen Zwischenräume werden als Ranviersche Schnürringe
bezeichnet. Zwei dieser hintereinanderliegenden Zwischenräume haben
einen Abstand von 1-2 mm.
Es wird bei den Axonen unterschieden zwischen denen mit Markscheide,
genannt markhaltige Nervenfasern, und denen ohne Markscheide,
bezeichnet als marklose Nervenfasern.
Weiterhin gibt es Verbindungsstellen zwischen mehreren Nervenzellen,
sowie zwischen Nervenzellen und Muskelfasern oder Drüsenzellen.
Diese Berührungsstellen heißen Synapsen.
Die von Hüllen umgebenen Neuriten bezeichnet man als Nervenfasern.
Ein Bündel solcher Nervenfasern bildet den Nerv, welcher die
Erregung von den Sinneszellen über das Zentralnervensystem zu den
Erfolgsorganen leitet.
2. Funktion der Nervenzelle
2.1. Grundlegende Aufgabe der Nervenzelle
Das Neuron ist eine funktionelle Einheit des Nervensystems. Der Reiz,
den das Neuron erfährt, ist eine physikalische oder chemische
Einwirkung der Zelle aus der Umwelt oder dem Körperinneren. Dieser
Reiz wird von Sinneszellen aufgenommen und an die Nervenzelle
weitergegeben. Wenn es erregt wurde, hat das Neuron die Aufgabe den
Reiz weiterzuleiten und zu verarbeiten.
Das Nervensystem ist mit den Organen bzw. Organsystemen verbunden.
Es steuert ihre Tätigkeit und sorgt für ihr Zusammenspiel. Es gibt
verschiedene Nervenzelltypen für verschiedene Funktionen.
Die Informtionen über die Sinnesorgane laufen über sensorische
Nervenbahnen. Die Informationen zur Ausführung von Reaktionen laufen
über motorische Bahnen. Diese beiden Typen bezeichnet man als das
periphere Nervensystem. Das vegetative Nervensystem steuert die
Arbeit der inneren Organe.
2.2. Erregungsleitung im Axon ohne Markscheide
Die Erklärung des Erregungsverlaufes im Axon verläuft hier am
Beispiel des Tintenfisches.
Das Axon besitzt im Ruhezustand ein Membranpotential von ca. -90 mV.
Im Labor ist es möglich durch Anlegung einer schwachen Spannung das
Membranpotential auf -50 mV zu erhöhen.
Diese Steigerung wird als Depolarisation bezeichnet und die Senkung
des Mempranpotentials wird Hyperpolarisation genannt. Die Membran
des Axons besitzt ebenfalls ähnliche Eigenschaften wie die eines
Kondensators. Sie besitzt eine geringe Leitfähigkeit und trennt
dabei die beiden intrazellulären und extrazellulären Flüssigkeiten,
die auch als elektrische Leiter dienen. Je geringer der Abstand der
beiden Flüssigkeiten und je größer die Fläche mit der sie an den
Nichtleiter stoßen, um so größer die Kapazität des ´Kondensators´,
das heißt das Fassungsvermögen für elektrische Ladungen. Dies
bedeutet dicke Axone besitzen aufgrund ihrer großen
Membranoberfläche eine große Kapazität.
Je größer die oben beschriebene künstlich angelegte Spannung, je
stärker ändert sich das Membranpotential über einen bestimmten Wert.
Dieser Wert wird als Schwellenwertbezeichnet.
Wird dieser Schwellenwert überschritten, kehrt sich die
Ladungsverteilung an der Membran kurzzeitig um. Diese
Spannungsänderung dauert etwa 1 ms an und wird als Aktionspotential,
spike oder impuls bezeichnet. Das hier geltende ´Alles oder nichts´Gesetz besagt, daß es nur die Möglichkeit des Membranpotentials über
dem Schwellenwert oder unter diesem gibt, eine 3.Variante ist nicht
möglich.
Die Höhe des Aktionpotentials ist unabhängig von der höhe und Dauer
der angelegten Spannung.
Das entstandene Spike wandert über das Axon entlang zum Axonende.
2.2.1. Ursachen des Aktionspotentials
In der Membran des Axons befinden sich substratspezifische Poren,
die nur für Natrium- bzw.Kaliumionen durchlässig sind. Diese
Durchlässigkeit ist abhängig vom oben erklärten Membranpotential,
das heißt, daß es sich hier um spannungsgesteuerte Natrium- und
Kaliumporen handelt. In der Ruhe sind die Natriumporen geschlossen
und die Kaliumporen zum Teil offen. Kommt es zur Depolarisation,
öffnen sich einige Natriumporen. Jedoch sind immer noch mehr
Kaliumporen geöffnet als Natriumporen. Steigt die Spannung über den
Schwellenwert, so öffnen sich alle Natriumporen. Die Anzahl der
Kaliumporen bleibt beim gesamten Prozeß gleich. Daraus folgt, daß
mehr Natriumionen nach innen strömen als Kaliumionen nach außen. Das
Innere des Axons ist kurzzeitig positiv geladen. Nun schließen sich
die Natriumporen und alle Kaliumporen öffnen sich. Das
Membranpotential sinkt nun wieder auf den Ruhewert.
Der Versuch das Axon an dieser Stelle wieder künstlich zu
depolarisieren schlägt fehl, da diese Stelle für einen kurzen Moment
unerregbar ist. Dieser Zustand, der als refraktärbezeichnet wird,
tritt auf, da der Kondensator eine gewisse Zeit braucht, um sich zu
be- und entladen. Bei einer sehr starken Erregung öffnen sich die
Natriumporen nach einer absoluten Refraktärzeit von 1-2 ms wieder.
2.2.2. Weiterleitung des Aktionspotentials
Wenn an einer Stelle A ein Reiz ausgelöst wird, entsteht dort ein
Aktionspotential und positive und negative Ladungen grenzen ohne
trennende Membran aneinander. Da sich die unterschiedlichen Ladungen
anziehen, kommt es zu Ionenströmen, sogenannten Ausgleichströmungen.
Diese senken das Membranpotential des Nachbarn. Wird auch diese
Stelle bis unter den Schwellenwert depolarisiert, kommt es auch hier
zu einem ´Spike´. Diese neu gereizte Stelle senkt ihrerseits wieder
die benachbarte Stelle, so daß auch Stelle A wieder die alte
Polarität besitzt. Jedoch kommt es hier nicht mehr zum
Aktionspotential wegen der oben beschriebenen Unerregbarkeit.
Bei der Weiterleitung der Erregung ist zu beachten, das dickere
Axone den Schwellenwert früher erreichen als dünnere, da hier ein
geringerer elektrischer Widerstand des Innenmediums vorherscht.
Das heißt dickere Axone leiten die Erregungen schneller als dünnere.
2.3. Erregungsleitung im Axon mit Markscheide
An den Stellen an denen das Axon eine Markscheide besitzt, findet
eine andere Leitung statt als an Stellen ohne Markscheide. Da hier
keine Natriumporen vorhanden sind, können sich auch keine Impulse
ausbilden. Nur an den Schnürringen zwischen zwei benachbarten
Markscheiden können Aktionspotentiale entstehen. Von einer erregten
Stelle A gehen wieder Ausgleichsströmchen aus, die sich zum nächsten
Schnürring fortpflanzen, so daß auch dieser polarisiert wird.
Die Stellen, die mit der Markscheide umhüllt sind, haben eine sehr
geringe Membrankapazität, weil der Abstand zwischen Innen- und
Außenmedium sehr groß ist. Deshalb kann dieser Teil des Axons
schnell entladen werden. Die Erregung pflanzt sich hier sehr schnell
fort (bis zu 120 m/s). An den Schnürringen ist wieder ein geringer
Abstand des Außen- und Innenmediums, so daß die Erregung immer von
Schnürring zu Schnürring springt. Dieser Vorgang wird als
saltatorische Erregungsleitung bezeichnet. Beim Axon mit Markscheide
beträgt die Übertragungsgeschwindigkeit etwa 25 m/s.
Der Vorteil der Markscheide ist also eine schnellere Leitung der
Erregung, eine erhebliche Materialersparnis und ein geringerer
Energiverbrauch.
Die restlichen Vorgänge sind gleich denen im Axon mit Markscheide.