Vom Reiz zum Aktionspotenzial

Vom Reiz zum Aktionspotenzial – Biologie

Stell dir vor, du stehst auf dem Volleyballfeld und eine Mitspielerin oder ein Mitspieler ruft dir zu: „Nimm den Ball an!“ Du würdest wahrscheinlich sofort versuchen, den Ball zu fangen. Doch warum kannst du überhaupt so schnell reagieren? Was in den wenigen Sekunden, die zwischen dem Satz „Nimm den Ball an!“ und deiner Reaktion vergehen, alles in deinem Nervensystem passiert und wie es von einem solchen Reiz zu einer Reaktion kommt, erklären wir dir im folgenden Text.

Weiterleitung von Reizen – Grundlagen

Reize aus der Umwelt müssen vom Körper in Aktionspotenziale umgewandelt werden, damit die Information im Gehirn verarbeitet und eine passende Reaktion eingeleitet werden kann. Eine passende Reaktion auf den Reiz des Zurufs wäre das schnelle Annehmen des Balls.

Reize nimmst du über (Sinnesorgane) auf. In den Sinnesorganen befinden sich Sinneszellen, die als Rezeptoren fungieren. Das bedeutet, dass sie Reize aus der Umwelt wahrnehmen, elektrische Signale erzeugen und auf diese Weise die Information aus der Umwelt an das zentrale Nervensystem weiterleiten.

Welche Sinneszellen und Rezeptortypen gibt es?

Je nach Art des Reizes gibt es unterschiedliche Sinneszellen – also unterschiedliche Rezeptortypen – in den Sinnesorganen. Der Reiz, der von seinem passenden Rezeptor registriert und weitergeleitet wird, heißt adäquater Reiz.

Es gibt vier unterschiedliche Sinneszell- bzw. Rezeptortypen: Thermorezeptoren, Mechanorezeptoren, Fotorezeptoren und Chemorezeptoren. Diese schauen wir uns in den folgenden Abschnitten genauer an.

Thermorezeptoren

Thermorezeptoren nehmen Temperaturunterschiede wahr. Thermorezeptoren in der Haut registrieren beispielsweise, ob die Außentemperatur warm oder kalt ist. Erkennen Kälterezeptoren niedrige Temperaturen, so kann zum Beispiel ein Muskelzittern ausgelöst werden, durch das der Körper Wärme erzeugt. Ist es draußen besonders warm, dann leitet das Gehirn durch die Wärmerezeptoren eine vermehrte Schweißproduktion ein. Durch den Schweiß kann sich die Haut schneller abkühlen.
Thermorezeptoren sitzen auch in den Schleimhäuten im Mund, in dem sie die Temperatur der aufgenommenen Nahrung oder Getränke wahrnehmen können. Selbst tief im Inneren deines Körpers gibt es Thermorezeptoren, die die Temperatur deines Bluts messen und somit dazu beitragen, dass die optimale Körpertemperatur von 37 °C aufrechterhalten wird.

Mechanorezeptoren

Mechanorezeptoren reagieren mit elektrischen Reizen auf Verformungen. Sie sitzen zum Beispiel in den Muskeln und tragen so zum reibungslosen Ablauf von Bewegungen bei. Auch in der Haut sind sie zu finden, wo sie essenziell für das Ertasten von Gegenständen sind oder Berührungen wahrnehmen. Spezielle Mechanorezeptoren im Ohr werden durch die Weiterleitung von Schallwellen verformt und registrieren auf diese Weise Töne und Geräusche.

Fotorezeptoren

Fotorezeptoren befinden sich in der Netzhaut des Auges. Sie nehmen Lichtreize wahr und tragen damit zur Erkennung von Kontrasten oder von Farben bei.

Chemorezeptoren

Chemorezeptoren nehmen Chemikalien wahr. Sie sind vor allem in den Schleimhäuten der Nase, des Mundes und des Magen-Darm-Trakts zu finden, wo sie Informationen über die Bestandteile der Nahrung an das Gehirn weiterleiten. Doch auch in Blutgefäßen und im Herzen kann man sie finden, wo sie den Sauerstoffgehalt des Bluts messen und so an der Regulation der Atmung beteiligt sind.

Doch wie kann ein Reiz nun in ein elektrisches Signal umgewandelt werden? Das wollen wir dir im nächsten Abschnitt genauer erklären.

Wie wird ein Reiz weitergeleitet?

Wenn ein Reiz eine Sinneszelle erreicht – also von einem Rezeptor detektiert wird –, dann öffnen sich in dieser Sinneszelle Ionenkanäle in der äußeren Zellmembran, durch die Ionen in das Zellinnere hineinströmen. Im Zellinneren befinden sich kleine Bläschen, sogenannte Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Steigt durch den Ioneneinstrom die Ionenkonzentration in der Zelle an, verschmelzen die Vesikel in der Sinneszelle mit der äußeren Membran und die Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigegeben. Diese Neurotransmitter führen dann zu einer Depolarisation der synaptischen Membran einer angrenzenden Nervenzelle, was bedeutet, dass das Membranpotenzial gegenüber dem Ruhepotenzial zunimmt. Es handelt sich dabei um ein Rezeptorpotenzial. Ein Rezeptorpotenzial steigt und sinkt dabei mit der Stärke des eintreffenden Reizes.

Innerhalb der Nervenzelle wird dieses Potenzial an den Axonhügel weitergeleitet, an dem, durch das Alles-oder-nichts-Prinzip, ein Aktionspotenzial entstehen kann. Ein Aktionspotenzial ist ein durch Ionenflüsse verursachter Anstieg des negativen Ruhepotenzials zu einem positiven Membranpotenzial. Dieses Membranpotenzial führt zu einer Erregung der Nervenzelle, die über die Axone auf Folgezellen übertragen werden kann. Der Reiz wurde demnach in Erregung umgewandelt und wird durch das Axon an das Gehirn weitergeleitet.

Erinnerst du dich noch an das Beispiel zu Beginn des Textes? Was genau zwischen dem Zuruf beim Ballspielen und der Annahme des Balls in deinem Körper passiert, möchten wir dir nun am Beispiel der Reizweiterleitung im Ohr erklären.

Reizweiterleitung beim Hörvorgang – Beispiel Mechanorezeptoren

Wir wir bereits zuvor festgestellt haben, sind die Sinneszellen im Ohr Mechanorezeptoren. Sie heißen Haarzellen, da es sich bei ihnen um Zellen mit haarförmigen Fortsätzen handelt. Sie sitzen im Innenohr, wo ihre Fortsätze in die Flüssigkeit der Gehörschnecke reichen. Als Mechanorezeptoren reagieren die Haarzellen auf Verformung.

Ruft dir also jemand etwas zu, so entstehen Luftschwingungen, denn Rufe sind Schallwellen. Diese Schallwellen gelangen zunächst einmal in dein Außenohr, also über die Gehörmuschel durch den Gehörgang bis zum Trommelfell, das durch die Schallwellen in Schwingung versetzt wird. Diese Schwingungen werden im Mittelohr über die drei Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel auf das ovale Fenster der Hörschnecke übertragen. Die Hörschnecke ist vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt. Durch die Schwingung des ovalen Fensters gerät auch die Flüssigkeit innerhalb der Schnecke ins Schwingen.

Wie du dich sicher erinnerst, sitzen die Fortsätze der Haarzellen in genau dieser Flüssigkeit der Gehörschnecke – durch die Schwingungen beginnen also auch die Haarzellen, sich zu biegen. Das aktiviert die Mechanorezeptoren in der äußeren Haarzellmembran und Ionenkanäle werden geöffnet.

Am unteren Ende sind die Haarzellen mit Synapsen einer Nervenzelle verbunden. Der Einstrom von Ionen führt nun also zu einer Depolarisation der synaptischen Membran – dem Rezeptorpotenzial. In der nachfolgenden Nervenzelle entstehen elektrische Impulse und bei Erreichen der Erregungsschwelle am Axonhügel entsteht ein Aktionspotenzial.

Über diese Erregung wird dann also die Information über den Zuruf in Form von Aktionspotenzialen an das Gehirn weitergeleitet, das die Information verarbeitet und die Reaktion der Annahme des Balls einleiten kann.

Vom Reiz zum Aktionspotenzial – Zusammenfassung

In diesem Text haben wir dir einfach erklärt, wie es vom Reiz zum Aktionspotenzial kommt. Du hast gelernt, dass Reize aus der Umwelt über Sinneszellen, sogenannte Rezeptoren, in den Sinnesorganen aufgenommen werden. Sie müssen in elektrische Erregungen umgewandelt werden, damit die Informationen über die Reize ans Gehirn weitergeleitet werden können. Du hast gelernt, dass die Sinneszellen mit Synapsen von Nervenzellen des zentralen Nervensystems verbunden sind. Sobald ein adäquater Reiz vom Rezeptor detektiert wird, wird ein Rezeptorpotenzial ausgelöst, das schließlich zu einem Aktionspotenzial in der Nervenzelle führen kann. Außerdem hast du den gesamten Vorgang der Reizweiterleitung anhand des Beispiels der Haarzellen – den Mechanorezeptoren im Ohr – kennengelernt.

Im Anschluss an das Video und den Text kannst du dein Wissen in interaktiven Übungen überprüfen.