Erregungsleitung und Schmerzlinderung
Beim Zahnarzt in Köln spüren Sie nach der Spritze nichts mehr, obwohl der Bohrer arbeitet. Und beim Barfußlaufen über einen Kiesel erreicht der Schmerz Ihr Gehirn in Sekundenbruchteilen. Wie wird ein Signal über einen Meter Nerv so schnell weitergegeben, und wie lässt es sich gezielt unterbrechen?
Kontinuierliche Erregungsleitung
Ein Aktionspotenzial (AP) entsteht an einer Stelle der Axonmembran, wenn der Schwellenwert erreicht wird: spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle öffnen sich, Na⁺ strömt ein, die Membran depolarisiert (positive Rückkopplung).
Beim marklosen Axon passiert nun Folgendes:
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Im erregten Bereich ist das Axoninnere positiv gegenüber dem Außenraum geladen. Zum noch ruhenden Nachbarbereich fließen im Axoninneren Ausgleichsströme (Kreisströme).
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Diese Ströme depolarisieren die Nachbarstelle bis zum Schwellenwert. Dort öffnen sich Na⁺-Kanäle: ein neues AP entsteht.
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So wandert das AP Stück für Stück über die gesamte Membran.
Warum nur in eine Richtung? Hinter dem AP sind die Na⁺-Kanäle inaktiviert. In dieser Zeit (Refraktärzeit, etwa 1–2 ms) kann dort kein neues AP entstehen. Vor dem AP liegt erregbare Membran. Deshalb läuft das AP nur vorwärts, weg vom Ort seiner Entstehung (am Axonhügel).
Beschreiben Sie die kontinuierliche Erregungsleitung an einem marklosen Axon, und erklären Sie, warum das Aktionspotenzial nur in eine Richtung weiterläuft.
Beschreiben Sie die kontinuierliche Erregungsleitung an einem marklosen Axon, und erklären Sie, warum das Aktionspotenzial nur in eine Richtung weiterläuft.
Saltatorische Erregungsleitung
Bei Wirbeltieren sind viele Axone von einer Myelinscheide umgeben. Sie wird von Schwann-Zellen (im PNS) bzw. Oligodendrozyten (im ZNS) gebildet und wirkt als elektrische Isolierung. Zwischen den Hüllabschnitten liegen die Ranvier'schen Schnürringe (Abstand etwa 0,2–2 mm), wo die Axonmembran frei liegt und viele spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle trägt.
Das AP „springt“ (lat. saltare) von Schnürring zu Schnürring:
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Unter der Myelinscheide fließt kaum Strom durch die Membran. Der Ausgleichsstrom fließt daher im Axoninneren fast ohne Verlust bis zum nächsten Schnürring.
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Dort reicht er noch aus, um den Schwellenwert zu erreichen. Die Na⁺-Kanäle öffnen sich, ein AP entsteht.
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Ionenströme durch die Membran gibt es nur an den Schnürringen.
Warum weniger Energie? Es strömen nur an den Schnürringen Na⁺ und K⁺ durch die Membran. Die Na⁺/K⁺-Pumpe muss nach jedem AP viel weniger Ionen zurücktransportieren (ATP-Verbrauch sinkt).
Dünn, aber schnell: Ein markloses Riesenaxon des Tintenfischs braucht etwa 500 µm Durchmesser für rund 25 m/s. Ein markhaltiges Axon des Menschen erreicht mit nur etwa 10 µm Durchmesser bis zu 100 m/s. Bei einem Fünfzigstel des Durchmessers (also etwa 1/2500 der Querschnittsfläche) passen sehr viele schnelle Axone in einen Nerv – Myelinisierung spart Platz und Energie zugleich.
Beschreiben Sie den Aufbau eines markhaltigen Axons (Myelinscheide, Ranvier-Schnürringe) und erläutern Sie das Prinzip der saltatorischen Erregungsleitung.
Beschreiben Sie den Aufbau eines markhaltigen Axons (Myelinscheide, Ranvier-Schnürringe) und erläutern Sie das Prinzip der saltatorischen Erregungsleitung.
Ein markloses Riesenaxon des Tintenfisches (Durchmesser 500 µm) leitet mit etwa 25 m/s, ein markhaltiges Axon des Menschen (Durchmesser 10 µm) mit etwa 100 m/s. a)…
Ein markloses Riesenaxon des Tintenfisches (Durchmesser 500 µm) leitet mit etwa 25 m/s, ein markhaltiges Axon des Menschen (Durchmesser 10 µm) mit etwa 100 m/s.
- a) Berechnen Sie die Zeit, die ein Signal jeweils für 1,0 m benötigt.
- b) Erklären Sie, warum das dünne markhaltige Axon schneller leitet und welchen Vorteil dies in Bezug auf Platz und Energie hat.
Beispiel: Leitungszeit berechnen
Vergleichen Sie kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung hinsichtlich Leitungsgeschwindigkeit, Energiebedarf (Anzahl der Na⁺/K⁺-Pumpvorgänge), Ort der…
Vergleichen Sie kontinuierliche und saltatorische Erregungsleitung hinsichtlich Leitungsgeschwindigkeit, Energiebedarf (Anzahl der Na⁺/K⁺-Pumpvorgänge), Ort der Ionenströme und Platzbedarf. Erläutern Sie anschließend, warum Wirbeltiere trotz ihrer begrenzten Körperdimensionen komplexe Nervensysteme mit schneller Reaktion entwickeln konnten, während Tintenfische dicke Riesenaxone benötigen.
Multiple Sklerose: wenn die Isolierung fehlt
Bei Multipler Sklerose (MS) greift das Immunsystem die Myelinscheiden im ZNS an (Autoimmunerkrankung). Es entstehen entmarkte Stellen.
Folgen für ein betroffenes Axon:
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Die entmarkte Membran ist über eine längere Strecke nicht mehr ausreichend isoliert. Der Strom fließt durch die Membran ab (und dort gibt es kaum Na⁺-Kanäle).
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Der Ausgleichsstrom ist beim nächsten Schnürring zu schwach: Die Leitung wird langsamer oder bricht ganz ab (Leitungsblock).
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Wo nur noch kontinuierliche Leitung möglich ist, ist sie langsam und kostet Energie.
Symptome hängen davon ab, welche Bahnen betroffen sind: Sehstörungen (Sehnerv), Lähmungen, Gefühlsstörungen, Gleichgewichts- und Koordinationsprobleme.
Bei Multipler Sklerose werden die Myelinscheiden im Zentralnervensystem durch eine Autoimmunreaktion abgebaut. a) Erklären Sie, warum sich die Leitungsgeschwindigkeit…
Bei Multipler Sklerose werden die Myelinscheiden im Zentralnervensystem durch eine Autoimmunreaktion abgebaut.
- a) Erklären Sie, warum sich die Leitungsgeschwindigkeit der betroffenen Axone verringert.
- b) Leiten Sie mögliche Symptome ab, z. B. Sehstörungen oder Lähmungen.
Material: Bei einem Patienten mit Multipler Sklerose ist die Leitungsgeschwindigkeit eines Nervs von 70 m/s auf 20 m/s gesunken. Der Nerv ist 0,8 m lang. In einem…
Material: Bei einem Patienten mit Multipler Sklerose ist die Leitungsgeschwindigkeit eines Nervs von 70 m/s auf 20 m/s gesunken. Der Nerv ist 0,8 m lang. In einem Experiment wird ein Axon im Bereich der entmarkten Stelle mit 4-Aminopyridin (blockiert K⁺-Kanäle) behandelt, wodurch die Leitung teilweise wiederhergestellt wird.
- a) Berechnen Sie die Leitungszeit vor und nach der Erkrankung.
- b) Erklären Sie die Verlangsamung und das mögliche Leitungsversagen bei entmarkten Abschnitten.
- c) Erklären Sie die Wirkung von 4-Aminopyridin.
Schmerzlinderung: Eingriff in die Signalweiterleitung
Schmerz entsteht, wenn Schmerzrezeptoren Aktionspotenziale auslösen. Diese laufen über Axone zum Rückenmark, werden dort über Synapsen umgeschaltet und erreichen das Gehirn. Schmerzmittel greifen an unterschiedlichen Stellen ein.
Lokalanästhetika (z. B. Lidocain beim Zahnarzt)
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Sie blockieren spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle in der Axonmembran.
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Der Schwellenwert wird nicht erreicht, es entsteht kein AP, die Leitung bricht ab.
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Die Wirkung bleibt lokal, weil das Mittel nur ins Gewebe um die Injektionsstelle gelangt und dort verdünnt und abtransportiert wird. Außerhalb sind die Na⁺-Kanäle frei.
Opioide (z. B. Morphin)
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Sie binden als Agonisten an Opioidrezeptoren (Schlüssel-Schloss-Prinzip) an präsynaptischen Endigungen der Schmerzbahn.
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Die Folge: weniger Ca²⁺-Einstrom, weniger Transmitterfreisetzung. Das nächste Neuron wird schwächer erregt, das Schmerzsignal wird gedämpft.
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Das Signal ist nicht unterbrochen, sondern an der Synapse gehemmt (Wirkung im ZNS, daher auch Müdigkeit und Atemdepression).
| Lokalanästhetikum | Opioid | |
|---|---|---|
| Ort | Axon (Na⁺-Kanäle) | Synapse (Opioidrezeptoren) |
| Wirkung | kein AP | weniger Transmitter |
| Reichweite | lokal | zentral, ganzer Körper |
Nennen Sie zwei Beispiele für Substanzen, die zur Schmerzlinderung eingesetzt werden (z. B. Lokalanästhetika, Opioide), und geben Sie jeweils kurz an, an welcher Stelle…
Nennen Sie zwei Beispiele für Substanzen, die zur Schmerzlinderung eingesetzt werden (z. B. Lokalanästhetika, Opioide), und geben Sie jeweils kurz an, an welcher Stelle der Signalweiterleitung sie wirken.
Der Zahnarzt in Köln betäubt mit Lidocain, das spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle blockiert. a) Erklären Sie, warum der Schmerz nicht mehr wahrgenommen wird. b) Begründen…
Der Zahnarzt in Köln betäubt mit Lidocain, das spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle blockiert.
- a) Erklären Sie, warum der Schmerz nicht mehr wahrgenommen wird.
- b) Begründen Sie, warum Lidocain bei lokaler Injektion nur örtlich begrenzt wirkt.
Stellung nehmen: Opioide und Lokalanästhetika
Bei einer Stellungnahme gehen Sie schrittweise vor:
Ein Ethikrat diskutiert den Einsatz von Opioiden (z. B. Morphin) und Lokalanästhetika zur Schmerzlinderung bei chronischen Schmerzen. a) Beschreiben Sie je einen…
Ein Ethikrat diskutiert den Einsatz von Opioiden (z. B. Morphin) und Lokalanästhetika zur Schmerzlinderung bei chronischen Schmerzen.
- a) Beschreiben Sie je einen Wirkmechanismus von Opioiden (Bindung an Opioidrezeptoren, Hemmung der Transmitterfreisetzung) und Lokalanästhetika.
- b) Nehmen Sie begründet Stellung zum Einsatz dieser Substanzen unter Abwägung von Nutzen, Nebenwirkungen (Toleranz, Abhängigkeit, Atemdepression) und Alternativen.
Zurück zum Anfang: Die Spritze beim Zahnarzt blockiert die Na⁺-Kanäle der Schmerzaxone, daher kommt kein AP im Gehirn an. Die schnelle Reaktion beim Kiesel erklärt die saltatorische Leitung mit etwa 100 m/s.
Auf einen Blick
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Kontinuierlich: Kreisströme depolarisieren Nachbarbereiche; Richtung durch Refraktärzeit festgelegt; langsam, energieaufwendig.
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Saltatorisch: Myelinscheide isoliert, AP nur an Ranvier-Schnürringen; schnell, sparsam, platzsparend.
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MS: Entmarkung → Stromverlust → langsamere Leitung oder Leitungsblock; K⁺-Kanalblocker (4-Aminopyridin) können teilweise helfen.
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Zeit: $t = \dfrac{s}{v}$.
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Schmerzmittel: Lokalanästhetika blockieren Na⁺-Kanäle (keine Leitung); Opioide hemmen die Transmitterfreisetzung an Synapsen.
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Stellungnahme: Sachlage, Pro, Contra, Alternativen, begründetes Urteil.