Thema 1.1.2.1:

Das Ruhepotenzial als Phänomen

Zielsetzung

Im Abschnitt 1.1.1.2 Informationsverarbeitung an einer Nervenzelle hatten wir gesagt, "Mit den Dendriten nimmt die Nervenzelle erregende oder auch hemmende Informationen aus ihrer Umwelt auf". Als Beispiel für "erregende Information" hatten wir Lichtreize angeführt, die eine Lichtsinneszelle erregen, und als Beispiel für "hemmende Information" führten wir körpereigene Opiate auf, die Schmerz weiterleitende Zellen hemmen.

Wir wollen in diesem Abschnitt nun klären, wie sich erregende und hemmende Reize genau auf eine Nervenzelle auswirken. Um dies zu verstehen, ist es notwendig, eine Nervenzelle mit Methoden der Physik zu untersuchen.

2. Ein Voltmeter im Dienste der Biologie ^Top

Betrachten Sie folgende Abbildung:

Ein lebendes Neuron (hierfür eignen sich die "Riesenneurone" bestimmter Tintenfische besonders gut, weil sie extrem groß sind) wird in Salzwasser gelegt (extrazelluläre Flüssigkeit) und dann mit einem Voltmeter untersucht. Ein Voltmeter besteht aus dem eigentlichen Messgerät und zwei Elektroden, die mit Kabeln mit dem Messgerät verbunden sind. Hält man nun die eine Elektrode an den Pluspol einer AA-Batterie, die andere Elektrode dagegen an den Minuspol, so kann man eine Spannung von beispielsweise 1,5 Volt ablesen. Nimmt man statt der AA-Batterie dagegen eine Blockbatterie, so kann man eine Spannung von 9 Volt ablesen.

Eine ähnliche Apparatur kann man verwenden, um lebende Nervenzellen zu untersuchen. Allerdings sind Nervenzellen derart klein und zerbrechlich, dass man keine normalen Elektroden verwenden darf, sondern spezielle Mikroelektroden einsetzt. Mikroelektroden sind winzig kleine, spitz zulaufende Glasröhrchen, die mit einer Kaliumchlorid-Lösung (KCl) gefüllt sind. Die Spitze der Mikroelektrode muss so dünn sein, dass man sie in eine lebende Nervenzelle hineinstechen kann. Diese Elektrode wird als Messelektrode bezeichnet. Eine andere Mikroelektrode wird in die Salzlösung gehalten. Diese Elektrode heißt Bezugselektrode.

Beide Elektroden sind an einen Verstärker angeschlossen, der wiederum mit einem einem Oszilloskop verbunden ist. Im Gegensatz zu einem Voltmeter, der ja einfach nur die augenblickliche Spannung anzeigt, kann man mit einem Oszilloskop die zeitlichen Veränderungen der Spannung beobachten.

3. Messung des Membranpotenzials ^Top

Hält man beide Elektroden in das Außenmedium, kann man keine Spannung feststellen. Das ist ja auch logisch, denn eine Spannung ist nichts anderes als eine Ladungsdifferenz. Da überall im Außenmedium die gleichen Ionen-Konzentrationen herrschen, kann es natürlich keine Ladungsdifferenz im Außenmedium geben.

Sticht man aber nun die Messelektrode in die Nervenzelle hinein, so kann man bei den meisten tierischen Zellen eine Spannung im Bereich zwischen -50 und -100 mV messen. Das Innere der Tierzelle ist also negativ gegenüber dem Außenmedium geladen, wie das folgende Bild zeigt:

Wie hoch das gemessene Membranpotenzial (die Membranspannung) ist, hängt von der Art der Zelle und von den Konzentration bestimmter Ionen im Außenmedium ab, aber meistens liegt das Membranpotenzial einer Tierzelle zwischen -50 und -100 mV.

4. Das Ruhepotenzial ^Top

Und nun kommt eine ganz wichtige Definition:

Meistens liegt das Ruhepotenzial einer tierischen Nervenzelle im Bereich um -60 bis -80 mV.

5. Erregung und Hemmung einer Nervenzelle ^Top

Nachdem wir nun gelernt haben, was man unter dem Ruhepotenzial versteht und wie man das Ruhepotenzial misst, können wir nun die eingangs gestellte Frage beantworten. Wie wirken sich erregende und hemmende Reize auf eine Nervenzelle aus?

Wird eine Nervenzelle erregt, so findet eine so genannte Depolarisierung statt. Das Membranpotenzial steigt von -70 mV auf Wert um -40 mV oder noch höher an. Sogar der positive Bereich bis maximal +30 mV kann durch eine solche Erregung erreicht werden, allerdings spricht man dann nicht mehr von einer Depolarisierung, sondern von einem Aktionspotenzial.

Umgekehrt führt eine Hemmung einer Nervenzelle dazu, dass das Membranpotenzial noch negativer als im Ruhezustand wird, es können dann Werte von -90 oder -100 mV erreicht werden. In diesem Fall spricht man von einer Hyperpolarisierung.

Stichworte ^Top

interne Links