Elektrische Signalübertragung in Nervenzellen

Elektrische Signalübertragung in Nervenzellen

• Nervenzellen nutzen einen Binärcode zur Informationsübertragung.
• Der Binärcode besteht aus zwei Zuständen: Ruhepotenzial (0) und Aktionspotenzial (1).
• Ruhepotenzial: Zustand der Inaktivität; ein Zustand, in dem die Nervenzelle keine Signale weiterleitet.
• Aktionspotenzial: Zustand der Aktivität, in dem die Nervenzelle ein Signal weiterleitet.
• Elektrisch geladene Teilchen (Ionen) sind für die Erzeugung elektrischer Signale verantwortlich.
• Kationen sind positiv geladene Ionen (z.B. K⁺, Na⁺, Ca²⁺).
• Anionen sind negativ geladene Ionen (z.B. Cl⁻, Protein-Anionen A⁻).
• Elektrische Spannung entsteht durch Ladungstrennung unter Energieaufwand.
• Getrennte Ladungen anzustreben, sich auszugleichen, bildet die Grundlage für die Erzeugung elektrischer Signale.
• Im Ruhezustand ist das Innere der Nervenzelle im Vergleich zur Außenseite negativ geladen.
• Das Ruhepotenzial wird durch die unterschiedliche Ionenverteilung (K⁺ und Na⁺) aufrechterhalten.
• Bei einem Reiz öffnen sich Ionenkanäle und Na⁺-Ionen strömen in die Zelle.
• Der Einstrom von Na⁺-Ionen führt zur Depolarisation und zur Erzeugung eines Aktionspotenzials.
• Nach dem Aktionspotenzial schließen sich Na⁺-Kanäle und K⁺-Kanäle öffnen sich.
• Der Ausstrom von K⁺-Ionen führt zur Repolarisation und zur Wiederherstellung des Ruhepotenzials.

Natrium-Kalium-Pumpe

• Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert aktiv 3 Na⁺-Ionen aus der Zelle und 2 K⁺-Ionen in die Zelle.
• Dieser Transport erfolgt gegen das Konzentrationsgefälle und benötigt Energie (ATP).
• Die Pumpe trägt dazu bei, eine hohe Na⁺-Konzentration außerhalb und eine hohe K⁺-Konzentration innerhalb der Zelle aufrechtzuerhalten.
• Sie trägt dazu bei, dass das Zellinnere negativ geladen bleibt, ein wesentlicher Faktor für das Ruhepotenzial.
• Im ersten Schritt binden 3 Na⁺-Ionen aus dem Zellinneren an die Pumpe.
• ATP-Spaltung führt zur Phosphorylierung der Pumpe und einer Formveränderung.
• Die 3 Na⁺-Ionen werden nach außen transportiert und freigesetzt.
• 2 K⁺-Ionen aus dem Außenraum binden sich an die Pumpe.
• Die Pumpe gibt Phosphat ab, kehrt zur ursprünglichen Form zurück und transportiert die 2 K⁺-Ionen ins Zellinnere.
• Die Natrium-Kalium-Pumpe hält die ungleiche Ionenverteilung aufrecht, welche essentiell für das Ruhepotenzial ist.
• Aktionspotenziale werden durch die gezielte Ionenbewegung überhaupt erst ermöglicht.
• Die Natrium-Kalium-Pumpe verbraucht viel Energie und hält das Ruhepotenzial stabil.

Kalium-Ionen-Diffusion

• Kalium-Ionen (K⁺) diffundieren aufgrund des Konzentrationsgradienten nach außen
• Die K⁺-Konzentration ist in der Zelle höher als außerhalb.
• Kalium-Ionen diffundieren aufgrund des elektrischen Gradienten nur teilweise nach außen
• Das Zellinnere ist negativ geladen, was die positiv geladenen K⁺-Ionen anzieht.
• Im Gleichgewichtszustand gleichen sich chemischer und elektrischer Gradient aus (~ -90 mV).
• Das Ruhepotential liegt bei -70 mV, da auch Na⁺-Ionen in die Zelle einströmen.
• Die Natrium-Kalium-Pumpe gleicht den Na⁺-Einstrom aus.

Negatives Zellinneres

• Kaliumionen (K⁺) diffundieren nach außen, wodurch das Zellinnere negativer wird.
• Große, negativ geladene Protein-Anionen können die Zellmembran nicht passieren.
• Die Na⁺/K⁺-Pumpe transportiert 3 Na⁺ nach außen und 2 K⁺ nach innen.
• Wenige Na⁺-Ionen können in die Zelle gelangen, da die Membran kaum durchlässig ist.
• Das Zellinnere ist negativer als das Zelläußere (~ -70 mV).

Nervenzellen nutzen einen Binärcode zur Informationsübertragung durch Ruhe- und Aktionspotenziale. Elektrische Spannung entsteht durch Ladungstrennung, wobei Kationen (positiv) und Anionen (negativ) eine Rolle spielen. Im Ruhezustand ist das Innere der Nervenzelle negativ geladen.