Aktiver Transport, Membranpotential und Nervenimpulse

Aktiver Transport durch Membranen

Bestimmte Proteine in der Membran ermöglichen unter Verbrauch von ATP den Transport gegen einen Konzentrationsgradienten.

Natrium-Kalium-Pumpe

Die transmembrane Na⁺/K⁺-Pumpe transportiert unter ATP-Verbrauch drei Na⁺-Ionen aus der Zelle hinaus und zwei K⁺-Ionen in die Zelle hinein. Dies erzeugt ein Membranpotential, bei dem das Zellinnere gegenüber dem Außenraum negativ geladen ist. Dieser Mechanismus reguliert den Stoffaustausch und nutzt Gradienten für den Cotransport.

Weitere Pumpen

Zusätzlich existieren Calcium-Pumpen und Protonenpumpen, die spezifische Ionenkonzentrationen aufrechterhalten.

Nervenimpulse

Nervenzellen empfangen und leiten Signale durch Veränderungen des Membranpotentials weiter. Der Impuls entsteht meist an den Dendriten, durchläuft den Zellkörper und wird über das Axon weitergeleitet.

1. Ruhepotential

Durch die Na⁺/K⁺-Pumpe herrscht außen eine höhere Natriumkonzentration und innen eine höhere Kaliumkonzentration. Das Ruhepotential beträgt etwa -70 mV (innen negativ gegenüber außen).

2. Aktionspotential

Bei einem Impuls öffnen sich Natriumkanäle, Na⁺ strömt in die Zelle ein, wodurch das Innere positiv wird. Das Potential steigt auf ca. +40 mV an; die Membran wird depolarisiert.

3. Ausbreitung und Dynamik

Nach der Depolarisation öffnen sich Kaliumkanäle, was zur Repolarisation führt. Die Ionenkonzentrationen werden durch die Pumpe wieder angepasst. Der Impuls wandert entlang des Neurons, wobei benachbarte Bereiche depolarisiert werden. Die Leitungsgeschwindigkeit kann bis zu 120 m/s betragen; bei myelinisierten Axonen (saltatorische Erregungsleitung) sogar bis zu 200 m/s.

Verbindung zwischen Neuronen: Die Synapse

Die Synapse ist die Verbindungsstelle zwischen zwei Neuronen, getrennt durch den synaptischen Spalt. Die Übertragung erfolgt chemisch über Neurotransmitter.

• Wenn der Impuls die präsynaptische Endigung erreicht, strömt Calcium ein.
• Dies bewirkt die Fusion von Vesikeln mit der Membran und die Freisetzung der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt.
• Die Transmitter binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran.

Effekte an der postsynaptischen Membran

• Depolarisation: Erregt die Zelle durch Öffnung von Natriumkanälen (exzitatorisches Signal).
• Hyperpolarisation: Hemmt die Zelle durch Veränderung des Membranpotentials.