Video: Einführung in die Elektrophysiologie

Neurone sind die Superhelden deines Körpers. Sie empfangen, integrieren, erzeugen, verbreiten und übertragen elektrische Signale, um dein Gehirn zu stimulieren und deine Muskeln in Bewegung zu setzen. Doch die wahre Grundlage dieser elektrischen Prozesse bilden winzige geladene Teilchen, die als Ionen bekannt sind. Diese kleinen Ladungsträger ermöglichen die bioelektrische Aktivität und bringen deine Nervenzellen zum Feuern – damit du in Bewegung kommst, körperlich und mental.

Um zu verstehen, wie neuronale Signale entstehen, werfen wir zunächst einen Blick auf die Zellmembran eines Neurons– die zentrale Schnittstelle für elektrochemische Prozesse.

Starten wir mit den Grundlagen der neuronalen Elektrophysiologie. 

Was versteht man eigentlich unter neuronaler Elektrophysiologie? Nun, die neuronale Elektrophysiologie beschäftigt sich mit den elektrischen Eigenschaften der Neurone – den primären Zellen des Nervensystems. Wir erklären dir jetzt, wie diese Eigenschaften entstehen und was mit einem Neuron geschieht, wenn sie sich verändern. Sobald du diese Konzepte verinnerlicht hast, wirst du genauer verstehen, wie Neurone Signale empfangen, erzeugen, weiterleiten und übertragen. 

Alle Zelltypen sind elektrisch aktiv. Das bedeutet, dass sie elektrische Signale für verschiedene Funktionen nutzen. Dabei folgen sie alle dem sogenannten “ohmschen Gesetz”. Dieses Gesetz besagt, dass Spannung gleich Strom multipliziert mit Widerstand ist. Aber was heißt das genau? Im Falle der Nervenzellen entspricht der Strom der Bewegung geladener Teilchen, die als Ionen bezeichnet werden. Der Widerstand – also die Kontrolle dieser Bewegung – hängt mit der Zellmembran zusammen.

Strom und Widerstand sind für die elektrischen Eigenschaften eines Neurons verantwortlich. Spannung beschreibt die Kraft, die notwendig ist, um geladene Teilchen von einem Ort zum anderen zu bewegen. Diese Spannung entsteht vor allem durch die unterschiedlichen Konzentrationen von Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle. Auf diesen Punkt werden wir später noch einmal genauer eingehen.

Lass uns jetzt über Ionen sprechen.

Ionen sind Atome, die eine elektrische Nettoladung besitzen – entweder positiv oder negativ. Diese Ladung entsteht durch eine ungleiche Anzahl von Protonen und Elektronen. Positiv geladene Ionen nennt man Kationen. Bei Neuronen sind die wichtigsten Kationen Kalium, Natrium und Calcium. Negativ geladene Ionen werden als Anionen bezeichnet, ein Beispiel dafür ist Chlorid.

Chemisch betrachtet, verteilen sich Ionen in einer Lösung ohne physische Barrieren, bis ein Gleichgewicht erreicht ist – ein Prozess, den man als einfache Diffusion bezeichnet.

Jetzt wissen wir, dass Neurone – wie alle Zellen – eine äußere Begrenzung besitzen, die Zellmembran. Sie ist dafür verantwortlich, was zwischen der intrazellulären und extrazellulären Umgebung des Neurons passiert.

Die Zellmembran besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht. Diese Phospholipide haben eine hydrophile polare Kopfgruppe und zwei hydrophobe Kohlenwasserstoffschwänze. Aufgrund dieser Struktur können nur bestimmte Stoffe die Zellmembran passieren – darunter Gase, hydrophobe oder fettlösliche Moleküle wie Steroidhormone, sowie kleine polare Moleküle wie Wasser. Größere Moleküle wie Proteine oder Zucker können die Zellmembran allerdings nicht passiv passieren. Diese Moleküle brauchen zusätzliche Unterstützung für ihren Transport –  worauf wir gleich noch zu sprechen kommen.

Auch geladene Teilchen wie Ionen sind hydrophil, also wasserliebend, und können die Zellmembran aufgrund ihrer hydrophoben Eigenschaften nicht passieren. Daher ist eine freie Diffusion nicht möglich, was zu unterschiedlichen Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle führt.

Ein Neuron kann man sich wie eine „salzige Banane“ vorstellen. Außen befindet sich eine hohe Konzentration an Natriumionen, während die Natriumkonzentration innen niedrig ist. Umgekehrt gibt es im Inneren des Neurons eine hohe Konzentration an Kaliumionen und eine niedrige Konzentration auf der Außenseite.

Diese ungleiche Verteilung der Ionen führt zu einem chemischen Konzentrationsgradienten. Das bedeutet, dass Ionen von einem Bereich mit hoher Konzentration in einen Bereich mit niedriger Konzentration wandern wollen, bis ein Gleichgewicht erreicht ist.

Da Ionen jedoch geladene Teilchen sind – entweder positiv oder negativ –, müssen auch elektrische Kräfte berücksichtigt werden. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an, wodurch neben dem chemischen Gradienten zusätzlich auch ein elektrisches Gefälle entsteht.

Wenn eine Seite der Membran positiver geladen ist als die andere, bewegen sich die positiven Ionen logischerweise in Richtung der negativen Ladung und negative Ionen in Richtung der positiven. Das geschieht so lange, bis eine gleichmäßige Verteilung der geladenen Teilchen auf beiden Seiten erreicht ist. Wir werden gleich sehen, dass chemische und elektrische Gradienten zusammenwirken und einen sogenannten elektrochemischen Gradienten bilden. Dieser spielt eine entscheidende Rolle bei einer der wichtigsten elektrophysiologischen Eigenschaften von Neuronen: dem Membranpotential.

Da Neurone erregbare Zellen sind, sprechen wir in diesem Fall vom Ruhemembranpotential. Damit ist die elektrische Spannungsdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite des Neurons gemeint, wenn es sich im Ruhezustand befindet – also weder Signale empfängt noch weiterleitet. 

Werfen wir also einen Blick auf unser Neuron und konzentrieren uns zunächst auf Kalium.

Hier sehen wir die Zellmembran des Neurons. Nehmen wir mal an, dass sie elektrisch neutral ist – das bedeutet, dass die Gesamtmenge positiv und negativ geladener Ionen auf beiden Seiten der Membran gleich ist. Nun fügen wir ein Transmembranprotein hinzu, das als Ionenkanal fungiert. Es besitzt eine Pore, die selektiv den Durchtritt bestimmter Ionen zwischen dem intra- und extrazellulären Raum ermöglicht. Da wir uns gerade auf Kalium konzentrieren, betrachten wir diesen Kanal als ausschließlich für Kalium durchlässig.

Da die Kaliumkonzentration in der Zelle höher ist als außerhalb, folgt Kalium seinem Konzentrationsgradienten – es bewegt sich also von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedriger Konzentration. Das bedeutet, dass positiv geladene Kaliumionen die Zelle verlassen.

Das Zellinnere wird im Vergleich zur Außenseite negativer, weil positiv geladene Kaliumionen die Zelle verlassen und in den extrazellulären Raum diffundieren. Während die Kaliumionen durch Ionenkanäle nach außen strömen, versuchen negativ geladene Moleküle – etwa Proteine – ihnen zu folgen. Der Grund: Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an. Doch die Zellmembran ist für diese großen, negativ geladenen Moleküle undurchlässig. Deshalb bleiben sie auf der Innenseite der Membran konzentriert und tragen so zur negativen Ladung im Zellinneren bei.

Dadurch sammeln sich positive Ionen auf der Außenseite der Zellmembran und negativ geladene Teilchen auf der Innenseite. Dies führt zur Entstehung eines elektrischen Gradienten. Da sich entgegengesetzte Ladungen anziehen, werden einige Kaliumionen von der positiven Außenseite wieder ins Zellinnere zurückgezogen – entgegen dem chemischen Gradienten.

Diese Gradienten oder auch Kräfte, die als Kaliumionen aus der Zelle hinaus- und wieder hineinziehen, gleichen sich gegenseitig aus. Das bedeutet, dass für jedes Kaliumion, das die Zelle entlang des chemischen Gradienten verlässt, ein anderes entlang des elektrischen Gradienten zurückkehrt. Sobald sich das System im elektrochemischen Gleichgewicht befindet, gibt es keine Nettobewegung von Kaliumionen mehr. An diesem Punkt lässt sich das sogenannte Gleichgewichtspotential von Kalium definieren, auch bekannt als Nernst-Potential. 

Das Gleichgewichtspotential von Kalium beträgt etwa -90 Millivolt. Wäre die Zellmembran ausschließlich für Kalium durchlässig, würde auch das Membranpotential – also die Spannungsdifferenz zwischen Innen- und Außenseite des Neurons – genau diesen Wert annehmen. In Wirklichkeit ist die Membran jedoch auch für andere Ionen durchlässig.

Fügen wir nun ein weiteres Ion hinzu – Natrium.

Erinnere dich daran, dass Natriumionen außerhalb der Zelle in deutlich höherer Konzentration vorkommen als innerhalb der Zelle. Sind Natriumkanäle in der Zellmembran vorhanden, folgt Natrium seinem chemischen Gradienten und strömt in die Zelle, wodurch die intrazelluläre Umgebung positiver wird. Ähnlich wie Kalium besitzt auch Natrium ein eigenes Gleichgewichtspotential, das bei etwa +60 Millivolt liegt.

Vergleicht man nun das Gleichgewichtspotential von Natrium, das bei +60 Millivolt liegt, mit dem von Kalium, das -90 Millivolt beträgt, könnte man erwarten, dass das Ruhemembranpotential irgendwo dazwischen liegt – vorausgesetzt, beide Ionen könnten die Membran in gleichem Maße passieren. Doch das ist nicht der Fall. Im Ruhezustand ist die Zellmembran eines Neurons für Kalium viel durchlässiger als für Natrium. Tatsächlich durchqueren etwa 40-mal mehr Kaliumionen die Membran als Natriumionen. Das bedeutet, dass zwar einige positive Natriumionen in die Zelle strömen, jedoch deutlich mehr positive Kaliumionen die Zelle verlassen.

Dies führt zu einem Ruhemembranpotential, das näher am Gleichgewichtspotential von Kalium liegt. Berücksichtigt man die Gleichgewichtspotentiale aller Ionen, die die Zellmembran durchqueren – wie Calcium und Chlorid – sowie ihre jeweilige Durchlässigkeit, ergibt sich ein Ruhemembranpotential von etwa -70 Millivolt. Solange das Membranpotential nicht null ist, bezeichnet man die Membran als polarisiert.

Wir haben viel darüber gesprochen, wie chemische und elektrische Gradienten die Bewegung von Ionen durch die Zellmembran antreiben. Es gibt jedoch noch einen weiteren entscheidenden Faktor, den wir in Bezug auf die Ionenkonzentration berücksichtigen müssen: den aktiven Transport.

Wie wir bereits gesehen haben, hängt das Membranpotential von der Ionenkonzentration ab.  Ohne einen aktiven Ausgleich würden sich die Ionenkonzentrationen jedoch mit der Zeit passiv abbauen, was ebenfalls das Membranpotential schrittweise verringern würde.

Um das zu verhindern, kommt ein spezielles Enzym zum Einsatz: die Natrium-Kalium-ATPase – besser bekannt als Natrium-Kalium-Pumpe. Sie gleicht den Verlust von Natrium- und Kaliumionen aus dem intra- bzw. extrazellulären Raum aus, indem sie diese aktiv, also unter Energieaufwand, gegen ihren Konzentrationsgradienten transportiert.

Für jedes ATP-Molekül, das die Pumpe verbraucht, werden drei Natriumionen aus der Zelle heraus- und zwei Kaliumionen hineingepumpt. Dadurch verlassen mehr positiv geladene Ionen die Zelle, als eintreten – drei nach außen, zwei nach innen. Das trägt zusätzlich zur negativen Ladung im Zellinneren bei. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält so den chemischen Konzentrationsgradienten stabil und somit das Membranpotential aufrecht.

Fassen wir zusammen: Wir wissen, dass die Zellmembran eines Neurons polarisiert ist – das heißt, dass auf beiden Seiten der Membran unterschiedliche elektrische Ladungen herrschen. Diese entstehen hauptsächlich durch die Konzentration und Bewegung von Kalium- und Natriumionen. Dadurch ergibt sich das Ruhemembranpotential, das bei etwa -70 Millivolt liegt.

Wir wissen auch, dass Neurone elektrisch erregbare Zellen sind – also dass sie elektrische Impulse erzeugen und weiterleiten können. 

Kommen wir nun zum nächsten Thema: den Ionenkanälen. Ionenkanäle bestehen aus Transmembran-Untereinheiten, die eine Pore bilden, sowie aus regulatorischen Untereinheiten und Hilfsproteinen. Die genaue Zusammensetzung – also Anzahl und Art der Untereinheiten – variiert je nach Unterfamilie der Ionenkanäle. Generell zeichnen sich Ionenkanäle durch drei Haupteigenschaften aus. Erstens: Sie ermöglichen eine leichtere Ionenpassage. Wie wir bereits gelernt haben, verhindert die Phospholipid-Doppelschicht der Zellmembran den Durchtritt geladener Teilchen. Ionenkanäle schaffen hier eine Durchgangsmöglichkeit – eine Art Tunnel – durch den Ionen passiv, also ohne Energieaufwand, entlang ihres elektrochemischen Gradienten diffundieren können.

Darüber hinaus sind die meisten Ionenkanäle hochselektiv, das heißt, sie lassen nur bestimmte Ionen passieren.

Viele Ionenkanäle verbleiben aufgrund ihrer spezifischen Proteinstruktur in einem geschlossenen Zustand, der den Ionendurchtritt verhindert. Als Reaktion auf verschiedene Reize – sei es elektrische, chemische oder mechanische – können sie jedoch aktiviert werden, indem sie ihre Struktur verändern, wodurch die Pore geöffnet und der Durchtritt von Ionen ermöglicht wird.

Diese strukturellen Veränderungen der Ionenkanäle sind mit bestimmten Funktionen verbunden. Man unterscheidet dabei zwischen dem aktivierten, dem geschlossen ruhenden und dem geschlossen refraktären Zustand. Im aktivierten Zustand ist der Kanal geöffnet, sodass Ionen ungehindert passieren können. Im geschlossenen ruhenden Zustand bleibt die Pore verschlossen und verhindert die Ionendiffusion, kann jedoch durch bestimmte Reize geöffnet werden. Im geschlossenen refraktären Zustand bleibt der Kanal ebenfalls geschlossen, unterscheidet sich jedoch zum geschlossenen ruhenden Zustand insofern, dass er auch durch äußere Reize nicht aktiviert werden kann, also in einem refraktären Zustand bleibt.

Ionenkanäle lassen sich anhand ihres Aktivierungs- oder Deaktivierungsmusters und der spezifischen Reize, auf die sie reagieren, in vier Haupttypen einteilen, die wir uns jetzt genauer ansehen.

Beginnen wir mit den sogenannten Leckkanälen. Diese Kanäle sind dauerhaft geöffnet und ermöglichen den kontinuierlichen Durchtritt von Ionen – behalten  aber ihre Selektivität für eine bestimmte Art von Ionen bei. Wir haben sie bereits kennen gelernt, als wir die Natrium- und Kaliumkanäle betrachtet haben, die zum Ruhemembranpotential der Zelle beitragen.

Als Nächstes kommen wir zu den ligandengesteuerten Ionenkanälen. Diese Kanäle werden durch die Bindung eines Liganden entweder aktiviert oder deaktiviert. Liganden sind Moleküle, die gezielt an eine spezifische Bindungsstelle – den sogenannten Rezeptor – andocken und als Signalgeber für biologische Prozesse dienen. Im neuronalen Kontext handelt es sich dabei meist um Neurotransmitter, die an Rezeptoren auf den Ionenkanälen binden. Diese Bindung bewirkt eine strukturelle Veränderung des Kanals, wodurch sich die Pore öffnet oder schließt und so selektive Ionenströme ermöglicht werden.

Als Nächstes schauen wir uns die spannungsgesteuerten Ionenkanäle an. Diese Kanäle reagieren auf Veränderungen der Spannungsdifferenz. Normalerweise ist das Ruhemembranpotential der Zellmembran negativ – du erinnerst dich sicher, wir haben gesagt, es liegt bei etwa -70 Millivolt. Wird diese Spannung weniger negativ und erreicht einen für den jeweiligen spannungsgesteuerten Kanal typischen Wert – den sogenannten Schwellenwert –, öffnet sich der Kanal und lässt Ionen hindurch.

Zum Schluss kommen wir zu den mechanisch gesteuerten Ionenkanälen. Diese Kanäle öffnen sich, wenn die Zellmembran des Neurons physikalisch verformt wird – zum Beispiel durch Dehnung oder durch direkte Einwirkung auf das Zytoskelett der Zelle. Durch diese mechanische Kraft verändert sich die Struktur des Kanals und die Pore öffnet sich. Besonders wichtig sind diese Kanäle für sensorische Neurone, die mechanische Reize wie Berührung, Schall oder Druckveränderungen erkennen.

Einen Ionenkanal, den phosphorylierungsgesteuerten Ionenkanal, möchte ich an dieser Stelle der Vollständigkeit halber noch einmal aufgreifen. Diese Ionenkanäle zählen zu den chemisch gesteuerten Ligandenkanälen und werden durch die Anlagerung einer Phosphatgruppe reguliert. In einigen Literaturquellen werden sie jedoch auch als eigenständige Gruppe aufgeführt.

So und damit sind wir am Ende des heutigen Tutorials angelangt.

Du hast nun einen ersten Einblick in die Elektrophysiologie der Neurone bekommen und gesehen, wie Ionen die elektrischen Eigenschaften der Zellmembran beeinflussen. Falls du dein Wissen testen oder vertiefen möchtest, schau dir unser Quiz und weiteres Lernmaterial in der Lerneinheit zu diesem Thema an.

Viel Spaß und bis zum nächsten Mal!