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Bioelektrizität in Zellen – Entstehung und Bedeutung 07:27 min

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Transkript Bioelektrizität in Zellen – Entstehung und Bedeutung

Woran denkst du bei dem Wort “Elektrizität”? An Steckdosen und elektrische Geräte? In diesem Video möchte ich dir zeigen, dass Elektrizität nicht nur in der Physik und der Technik eine grundlegende Rolle spielt, sondern auch in jeder tierischen Zelle.

Wenn es um Elektrizität im Zusammenhang mit Lebewesen geht, spricht man von Bioelektrizität. Es handelt sich dabei um ein komplexes Thema. In diesem Film wirst du mit den Grundlagen vertraut gemacht.

Bereits im 18. Jahrhundert entdeckte der italienische Arzt Galvani, dass sich die Muskeln in präparierten Froschschenkeln unter dem Einfluss von Elektrizität zusammenziehen. Seitdem wurde die Elektrizität im Zusammenhang mit tierischen Lebewesen diskutiert und erforscht.

Heute weiß man, dass jede tierische Zelle gegenüber ihrer Umgebung elektrisch geladen ist. Bioelektrizität spielt insbesondere in den Sinneszellen der Sinnesorgane und den Nervenzellen eine wichtige Rolle. Sie reagieren auf elektrische Impulse und erzeugen selbst welche.

Den Begriff “Ion” hast du sicher schon häufig gehört. Weißt du denn aber genau, was darunter zu verstehen ist? Da er für das Verständnis der Bioelektrizität sehr wichtig ist, möchte ich den Begriff kurz erklären.

Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Atom oder Molekül. Es entsteht, wenn ein Atom oder Molekül einen Elektronenüberschuss oder -mangel hat. Es ist bei einem Elektronen-Überschuss negativ geladen und wird Anion genannt. Bei einem Elektronen-Mangel ist es positiv geladen und heißt Kation.

Für viele Vorgänge, wie z.B. die Erregungsleitung in Nervenzellen, ist es wichtig, dass Strom fließt. Das bedeutet, dass sich Ionen bewegen. Dies kann nur geschehen, wenn Anionen und Kationen ungleichmäßig verteilt werden. Eine Ladungstrennung muss also erfolgen. In tierischen Zellen trennt die Zellmembran die Ladungen. So entsteht ein positiver und negativer Pol. Elektrische Spannung, auch Potenzialdifferenz genannt, ist die Folge.

Entsteht eine Potenzialdifferenz an einer Membran, so spricht man von Membranpotenzial. Das Membranpotenzial kann aufrecht erhalten werden, da die Membran fast undurchlässig für Ionen ist. Ionen müssen die Membran über Kanäle passieren. Diese sind jedoch nicht immer geöffnet. Außerdem lässt jeder Kanal nur bestimmte Ionen passieren. Strom fließt in der Zelle und an der Membran also nur kontrolliert in bestimmten Situationen. Wie aber sind Ionen in der tierischen Zelle verteilt?

Alle tierischen Zellen weisen im Inneren eine andere Konzentration an Ionen auf als außerhalb. Im Innen befinden sich wenige Natrium- und Chloridionen, aber viele Kaliumionen und organische Anionen. Außen ist es umgekehrt. Die negativen und positiven Ladungen sind ungleich verteilt und ziehen sich über die Membran gegenseitig an.

Für jeden Ionentyp besteht ein Konzentrationsgefälle entweder von innen nach außen oder umgekehrt. Es kommt zu einer Spannung, dem Membranpotenzial. Die Ionenkanäle sind normalerweise geschlossen. Nur Kaliumionen können von außen nach innen gelangen. Allerdings erfolgt trotzdem kein vollständiger Konzentrationsausgleich.

An einem bestimmten Punkt ist die vom Konzentrationsgefälle auf die Kaliumionen wirkende Kraft ebenso groß wie die Anziehung durch die zahlreichen Chloridionen außen. Es kann also weiterhin Spannung gemessen werden. Das resultierende Gleichgewicht aus den beiden Faktoren des Ladung- und Konzentrationsausgleiches, wird als Gleichgewichtspotenzial bezeichnet.

Nun möchte ich dir am Beispiel der Nervenzelle kurz erklären, welche Bedeutung das Membranpotenzial und dessen kurzzeitige Veränderung haben.

Ein elektrischer Impuls führt zur kurzzeitigen Öffnung von Ionenkanälen, es kommt zu einem verstärkten Ionenfluss. Das Membranpotenzial ändert sich kurzzeitig. Auf diese Weise werden von den Sinnesorganen aufgenommene Reize in Form von elektrischen Impulsen an das Zentrale Nervensystem weitergeleitet. Über die Veränderung der Ionenkonzentration und damit des Membranpotenzials werden zahlreiche Vorgänge in tierischen Zellen gesteuert.

Du hast nun gelernt, dass jede tierische Zelle elektrisch geladen ist. Über die Zellmembran erfolgt eine Ladungstrennung und damit eine ungleichmäßige Verteilung der Anionen und Kationen. So entsteht eine Potenzialdifferenz, die an der Membran auch Membranpotenzial genannt wird.

Über Ionenkanäle, die geschlossen oder geöffnet sein können, erfolgt die Kontrolle des Membranpotenzials. Eine kurzzeitige Veränderung des Membranpotenzials führt z.B. in der Nervenzelle dazu, dass Informationen an das Zentrale Nervensystem weitergeleitet werden. Elektrizität hat also nicht nur etwas mit Steckdosen und elektrischen Geräten zu tun, sondern ist eine wichtige Grundlage dafür, dass dein Körper und jede tierische Zelle ihre Funktion ausüben kann.

11 Kommentare
  1. ein sehr tolles Video! Didaktisch gut aufgebaut, leicht zu verstehen und schön erklärt. :-) 2 Daumen hoch.

    Von Katharina B., vor 10 Monaten
  2. Danke für die Antwort, hab's jetzt verstanden :)

    Von Annatheresa97, vor etwa 4 Jahren
  3. Hallo Anna,
    zunächst einmal finde ich es super, dass sich deine erste Frage von selbst geklärt hat. :) Zur nächsten Frage: Als Membranpotenzial wird die Potenzialdifferenz der Zelle bezeichnet. Diese kommt zustande, da die Zellmembran nicht gleichermaßen für alle Ionen durchlässig ist. Somit stellt sie eine isolierende Schicht dar und bewirkt eine Ungleichverteilung der Ionen. Das Membranpotenzial ist so gesehen ein Überbegriff, worunter das Ruhepotenzial und das Aktionspotenzial fallen. Man kann hier also nicht wirklich von einer Reihenfolge sprechen. :)
    Ist das verständlich?

    Von Serpil Kilic, vor etwa 4 Jahren
  4. Folgt dem Mebranpotenzial zeitlich das Ruhepotenzial und dann das Aktionspotenzial?

    Von Annatheresa97, vor etwa 4 Jahren
  5. Hat sich erledigt Danke trotzdem:)

    Von Annatheresa97, vor etwa 4 Jahren
  1. Sind diese "Balken", die Anionen von Kationen trennen und auf der Zellmembran liegen die Ionenkanäle? :)

    Von Annatheresa97, vor etwa 4 Jahren
  2. Vielen Dank, jetzt hab ich das auch verstanden! Bin zwar erst in der neunten, aber wir haben das Thema irgendwie jetzt schon und leider auch eine Lehrerin, die das ganze nicht wirklich erklären kann... ;) Naja, zum Glück bin ich noch vor dem morgigen Test auf dieses Video gestoßen!

    Von Lea 25, vor etwa 4 Jahren
  3. Sehr verständliches, schön strukturiertes und aufgearbeitetes Video. Top :)

    Von Fritz Kinateder, vor mehr als 4 Jahren
  4. Hallo Merabell,
    ein Potential kann nur dann entstehen, wenn ein Konzentrationsunterschied an Ionen und somit an Ladungen an der Membran besteht.

    Von Jan Ruppe, vor mehr als 5 Jahren
  5. Ich dachte es findet kein Konzentrationsausgleich statt?
    Wie kann dann ein Gleichgewichtspotenzial entstehen..?
    Sonst ein sehr gutes Video! :)

    Von Merabell A., vor mehr als 5 Jahren
  6. Ich dachte es findet kein Konzentrationsausgleich statt?
    Wie kann dann ein Gleichgewichtspotenzial entstehen..?
    Sonst ein sehr gutes Video! :)

    Von Merabell A., vor mehr als 5 Jahren
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Bioelektrizität in Zellen – Entstehung und Bedeutung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Bioelektrizität in Zellen – Entstehung und Bedeutung kannst du es wiederholen und üben.

  • Beurteile die Aussagen bezüglich der Ionen.

    Tipps

    Geladene Teilchen können nicht einfach durch die Membran diffundieren.

    Merke dir, dass negativ geladene Ionen Anionen sind.

    Lösung

    Wenn ein Atom oder Molekül einen Elektronenmangel oder -überschuss hat, entsteht ein Ion. Es ist also elektrisch geladen. Bei einem Elektronenüberschuss ist das Ion negativ geladen und wird Anion genannt. Hat es einen Elektronenmangel, ist es positiv geladen und heißt Kation. Da die tierische Membran aus einer Lipiddoppelschicht aufgebaut ist, können keine geladenen Teilchen durch diese hindurch. Die geladenen Ionen brauchen also spezielle Kanäle, um die Membran zu passieren. Da aber auch Ionen verschieden geladen sein können (z. B. positiv oder negativ, einfach oder mehrfach geladen) gibt es Kanäle, die nur die entsprechenden Ionen passieren können.

  • Bestimme den Ort der jeweiligen Ionenkonzentrationen.

    Tipps

    Organische Anionen sind zelleigene Strukturen, die meist zu groß für Kanäle sind.

    Faustregel: Kochsalz (NaCl) nehmen wir von außen auf.

    Lösung

    Damit Elektrizität und damit die Aufnahme und Weitergabe von Information in tierischen Zellen funktioniert, müssen die Ionen ungleich verteilt sein. Im Zellinneren befinden sich mehr K⁺-Ionen und organische Anionen⁻. Das sind zelleigene Strukturen (daher innen), die auch geladen sind und daher nicht durch die Membran diffundieren können. Für die meisten Kanäle sind sie zu groß, weshalb sie für die Bioelektrizität keine große Rolle spielen. Außen befinden sich mehr Na⁺- und innen mehr K⁺-Ionen.

  • Bestimme den Aufbau einer Nervenzelle.

    Tipps

    Die Ionenkanäle, durch die die kurzzeitige Änderung des Membranpotentials erfolgen kann, befinden sich im Axon der Nervenzelle.

    Im Soma finden wir den Zellkern der Nervenzelle.

    Die Schwannschen Zellen isolieren das Axon. Die Membran der Nervenzelle liegt nur an den Ranvierschen Schnürringen frei.

    Lösung

    Die Nervenzelle ist das kleinste Bauelement des Nervensystems. Sie besteht aus dem Zellkörper (Soma), den kurzen Fortsätzen (Dendriten) und dem Axon. Durch die kurzen Fortsätze werden Nervenimpulse aufgenommen und über das Axon und über die Synapsen, die sich an den Enden der Fortsätze befinden, zu anderen Nervenzellen oder Muskeln weitergeleitet.

    Das Axon ist für die Entstehung des Impulses von großer Bedeutung, denn an der Zellmembran befinden sich die Ionenkanäle, durch die im Falle einer Erregung der verstärkte Ionenfluss stattfinden kann. Die Axone mancher Nervenzellen sind von der Myelinscheide umgeben, die von den Schwannschen Zellen gebildet wird. In den Zwischenräumen dieser Schwannschen Zellen, also an den Ranvierschen Schnürringen, liegt die Zellmembran des Axons frei.

  • Bestimme den Ablauf der Erregungsleitung an Nervenzellen.

    Tipps

    Der Ionenfluss kommt durch eine Umverteilung der Ladung zustande.

    Lösung

    Die Erregungsleitung an den Nervenzellen ist für alle tierische Zellen wichtig, um Informationen aufzunehmen und weiterzuleiten. Kommt ein elektrischer Impuls an den Sinneszellen oder am Nervenzellkörper an, so öffnen sich die spannungsgesteuerten Ionenkanäle für einen kurzen Augenblick. Die ungleich verteilten Ionen (Ladungsträger) strömen in die Zelle ein und verändern so das Membranpotential. Auf diese Weise wird die Information nur in eine Richtung am Axon weitergeleitet.

  • Definiere die folgenden Begriffe zur Bioelektrizität.

    Tipps

    Damit Spannung entsteht, müssen Ionen ungleichmäßig verteilt sein.

    Lösung

    Strom fließt, wenn die geladenen Teilchen ungleichmäßig verteilt sind. In den tierischen Zellen sind das Anionen und Kationen. Entsteht Spannung an einer Membran, so spricht man von Membranpotential. Dabei trennt die Lipiddoppelschicht der Membran das innere und äußere Milieu. Ein Gleichgewichtspotential entsteht, wenn die Kräfte des Konzentrationsausgleichs und des Ladungsausgleichs gleich groß sind.

  • Bestimme unterschiedliche Arten von Ionenkanälen.

    Tipps

    Die spannungsaktivierten Natriumkanäle sind in allen Nervenzellen zu finden. Durch die Veränderung des Membranpotentials öffnen sie sich, sodass an der Zellmembran der Nervenzelle ein verstärkter Ionenfluss stattfindet.

    Die Klassifizierungen können sich überschneiden. Es gibt Natriumkanäle, die spannungsgesteuert sind, und welche, die es nicht sind.

    Lösung

    Ionenkanäle sind Transmembranproteine in der Zellmembran, die der Zelle ermöglichen, in ständigem Kontakt mit dem extrazellulären Raum zu stehen. Die meisten Ionenkanäle haben einen offenen und einen geschlossenen Zustand. Neben unspezifischen Kanälen, die für mehrere Ionen durchlässig sind, gibt es auch selektive Ionenkanäle, die unterschiedlich klassifiziert werden können.

    Eine häufig verwendete Klassifizierung erfolgt nach dem transportierten Ion des Kanals. So werden Kanäle, die für Natrium passierbar sind, als Natriumkanäle bezeichnet, demnach die für Kalium passierbaren Kaliumkanäle usw. Außerdem kann man die Ionenkanäle auch nach der Art der Steuerung einteilen.

    So gibt es spannungsgesteuerte Ionenkanäle, die in jeder Nervenzelle zu finden sind. Sie öffnen sich durch die Veränderung des Membranpotentials. Wenn ein Reiz auf die Nervenzelle trifft, öffnen sie sich durch die veränderte Spannung und ermöglichen die Erregung der Nervenzelle.

    Liganden-gesteuerte Ionenkanäle sind z. B. an den Synapsen der Nervenzellen zu finden. Diese Kanäle haben Rezeptoren, an die die entsprechenden Botenstoffe binden können. Wenn z. B. Acetylcholin an den Acetylcholin-Rezeptor bindet, öffnet sich der Kanal und wird passierbar.

    Mechanisch gesteuerte Kanäle sind in unseren mechanischen Sinneszellen zu finden. Diese Kanäle werden durch mechanische Spannungen aktiviert. Diese können durch Druck und Vibration ausgelöst werden.