Hier eine Vorschau,
wie wir dieses Thema behandeln und wie unsere Eselsbrücken aussehen:

Basiswissen

• Neuronen-Aktionspotential: Elektrisches Signal durch Ionen-Strom

  Ionenschüler im Neuronenhindernisslauf: Elektrischer Staffellauf

  Das Aktionspotential (AP) ist ein elektrisches Signal, mit dem ein Neuron über (Ionen-)Strom Informationen an andere Zellen weiterleiten kann. Das Neuron zeigen wir durch die Rennbahn auf der sich die Ionen-Schüler beweisen müssen. Sie müssen einen kombinierten Staffel- und Hindernislauf absolvieren (AP des Neurons). Die Salz- und Bananen-Ionenschüler (Natrium und Kalium) müssen ihre Bewegungen koordinieren, um Strom entlang einer Leitung zu leiten. Die Signalempfänger sind vielfältig: Andere Neurone, Muskelzellen, Drüsenzellen, etc. Am Ende der Strecke sitzen ein Neuron, eine Muskelzelle und eine Drüsenzelle. Haben die Ionenschüler ihr Ziel erreicht, sollen die drei Herrschaften auf den Stühlen einen Stromstoß bekommen.

• Voraussetzung 1: Ruhemembranpotential / polarisierte Membran

  Ruhende Ionen warten auf Start im Polareis

  Grundlage für jedes Aktionspotential ist ein Ruhemembranpotential, gezeigt an den am Anfang ruhenden konzentrierten positiven Katzen-Ionen mit Salz und Bananen. Die polarisierte Membran sehen wir am polareisigen Bild der Rennbahn. Das Ruhemembranpotential entsteht durch die ungleiche Konzentration von Natrium- und Kaliumionen. Im Zellinneren herrscht eine hohe Kaliumkonzentration und eine niedrige Natriumkonzentration. Extrazellulär verhält es sich genau umgekehrt. Der Baum steht hier für die Dendriten. Das Salz-Ion am Anfang des Neuronen-Parcours sitzt auf den Ästen (extrazellulär) des Baumes, das Bananen-Ion sitzt in seinem Kanal (intrazellulär). Dazu musst du wissen die Fläche vor dem dendritischen Baum und unterhalb des blauen Stromkabels entspricht dem Intrazellulärraum. Alles andere entspricht dem Extrazellulärraum. Die Folge im Neuron ist eine Potentialdifferenz von -70 mV (Zellinneres ist negativ).

• Voraussetzung 2: spannungsgesteuerte Ionenkanäle

  Spannungsgesteuerte Tunnel

  Damit die Ionen zum richtigen Zeitpunkt die Membran überqueren können, braucht es spannungsgesteuerte Ionenkanäle.Diese Ionenkanäle messen über einen integrierten Sensor (genauer: S4-Segment) die Membranspannung und öffnen bzw. schließen ihre Kanalpore dementsprechend. Die Ionen-Schüler sausen ebenfalls durch elektrische Kanäle mit Sensoren.

• Phase 1: Initiationsphase

  Startsignal am Baum

  Phase 1: Das Rennen wird mit einem Signal initiiert (Initiationsphase). Bei der initialen Depolarisation werden am Dendriten sog. EPSPs und IPSPs häufig von anderen Neuronen ausgelöst (excitatory und inhibitory synaptic potentials). Sie verändern in Summe von außen die Verteilung der Ladungen. Das Innere des Neurons wird durch EPSPs positiver, die Membran wird depolarisiert. Den “Startschuss” gibt hier ein Neuron über seine Axon-Enden. Das Neuron sitzt im Dendritenbaum und hat so alles im Blick. Erste Hürde im Rennen: Das Natrium-Katzen-Ion fliegt mit seiner exzitatorischen Wespe (EPSP) durch ein Loch in den unteren Teil des Parcours (intrazellulärer Teil). Die Rennbahn kann man sich übrigens im Folgenden wie ein Spannungszeitdiagramm vorstellen: die X-Achse ist die Zeit und die Y-Achse die Spannung. Das blaue Kabel der Rennbahn entspricht dabei dem Ruhemembranpotential des Neurons. Die Blitze, die davon abgehen, entsprechen in ihrer Form ungefähr der Form eines neuronalen APs in einem solchen Diagramm.

• Reizschwelle der NaV-Kanäle: - 50 mV

  “Schwellen-Sprung”, um Kanal zu öffnen: Hände des Ions

  Nächste Hürde für das Salz-Ion: Er muss volles Rohr von seiner Wespe über eine Schwelle springen – der sog. Schwellensprung. Um ein AP auszulösen, müssen die EPSPs die sog. Reizschwelle von spannungsgesteuerten NaV-Kanäle am sog. Axonhügel erreichen. Den Axonhügel stellen wir als Hügel dar, der Hinter der Schwelle liegt. Auf ihm liegen die nächsten Ionen-Kanäle. Wird die Reizschwelle überschritten, öffnen sich die spannungsgesteuerten NaV-Kanäle und lassen weitere Natriumionen in das Neuron einströmen. Die Reizschwelle liegt bei ca. -50 mV. Das Ion hält bei seinem Sprung wacker eine Hand offen (Zahl-Form-System 5). Die andere Hand ist um den elektrischen Stab als Faust geschlossen (Zahl-Form-System: 0). Zusammen stehen die elektrisierten Hände für minus 50 mV. Das Ziel des Salz-Ions: der Sensor des nächsten Ionen-Kanals.

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Expertenwissen

• Ruhemembranpotential -70 mV

  Zwergenmütze und runder Helm

  Das Ruhemembranpotential von Neuronen beträgt ungefähr -70 mV, was wir am Zwergen- und runden Helm der zwei ruhenden Ionen zeigen.

• Amplitude

  Rotes und grünes Licht

  Die Amplitude bezeichnet die Spannungsdifferenz zwischen der Spitze des Aktionspotentials und dem Ruhemembranpotential. Sie wird hier im Bild an der roten und grünen Lampe gezeigt, die gleichen Farben wie bei einer Ampel also (Amplitude). Die Amplitude liegt typischerweise bei ca. 100 mV.

• Relative Refraktärzeit: Niedrigeres AP

  Halb gefrorener Salz-Kanal - kleinerer Blitz

  Schon bevor die Neuronenmembran den erregbaren Ruhezustand komplett erreicht, erholen sich die ersten paar Natrium-Kanäle von der Inaktivierung. Diese wenigen paar Kanäle können nun durch einen entsprechend starken Reiz aktiviert werden, um so ein neues AP auszulösen. Da aber nur ein Teil der Natrium-Kanäle zur Verfügung stehen, liegt die Reizschwelle in der relativen Refraktärzeit höher und die Amplitude also der Ausschlag des resultierenden APs ist kleiner. Hier ist der zweite Salz-Kanal noch nicht ganz wieder geöffnet. Der Blitz, der aus diesem Kanal schießt, ist nicht ganz so groß wie der erste.

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