Erregung und Erregungsleitung
Alle lebenden Zellen bilden an der Zellmembran chemische und elektrische Gradienten aus.
Die chemischen und elektrischen Gradienten sind die Grundlage für die Ruhe-, Aktions-, Rezeptor- und Synapsenpotenziale.
Die Änderungen der Potenziale sind Voraussetzung für Erregung und Erregungsleitung.
Die Membranstruktur sowie passive und aktive Transportvorgänge bedingen die verschiedenen Biopotenziale.
Im Tierreich haben sich spezialisierte Zellen (Sinnes-, Nerven- und Muskelzellen) für Reizaufnahme und Erregungsauslösung, die Erregungsleitung und Reaktion entwickelt.
Synapsen sind entscheidende Schaltstellen zwischen den Nervenzellen und zwischen Nerven- und Muskelzellen. Sie koordinieren die Vielzahl der eintreffenden Erregungen durch Bahnung (Förderung) oder/und Hemmung.
An jeder lebenden Zelle kann man eine unterschiedliche Verteilung der elektrischen Ladung über die Zellmembran nachweisen. Die Innenseite der Membran ist negativer geladen als die Außenseite, dadurch entsteht ein elektrischer Spannungsgradient. Dieses Membranpotenzial ist auf Unterschiede in der Ionenzusammensetzung (chemischer Gradient) der intra- und extrazellulären Flüssigkeit und auf die selektive Permeabilität (ausgewählte Durchlässigkeit und Leitfähigkeit der Membran) zurückzuführen. Sie wird durch passive Mechanismen (Struktur der Membran) und durch aktive Mechanismen (Transport gegen das Konzentrationsgefälle unter Einsatz von Stoffwechselenergie) erreicht.
Aktive Transportmechanismen setzen Stoffwechselenergie um. Die Energiebereitstellung erfolgt über die energiereiche Verbindung Adenosintriphosphat (ATP), die in Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat (P) umgewandelt wird.
Intra- und extrazelluläre Ionenverteilung (Durchschnittswerte)
| innen | außen | ||
| tierische Zellen | 15 150 10 8 | 150 5 120 30 | |
| pflanzliche Zellen | 75 8 3 2 28 | 1 1 0,25 1 2 | |
Im Ruhezustand der Zelle wird das Membranpotenzial als Ruhepotenzial (RP) bezeichnet. An erregten Zellen verändert sich das Membranpotenzial zum Aktionspotenzial (AP). In Rezeptorzellen wird bei Reizung das Rezeptorpotenzial und in Synapsen bei Erregungsübertragung das Synapsenpotenzial aufgebaut. Alle diese Biopotenziale können mit Mikroelektroden abgeleitet und gemessen werden.
Die Mikroelektrode wird in das Cytoplasma oder in die Vakuole eingestochen und eine Bezugselektrode befindet sich außerhalb der Zelle. Das Ruhepotenzial hat bei tierischen Zellen einen Wert von – 50 mV bis –100 mV, bei Algen- und Pflanzenzellen beträgt es – 80 mV bis –200 mV. Im Ruhezustand besteht eine hohe -Leitfähigkeit der Membran und eine niedrige -Leitfähigkeit (tierische Zellen) bzw. eine niedrige -Leitfähigkeit (pflanzliche Zellen).
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Messanordnung zur Ableitung von Biopotenzialen
