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Nervenzelle – Leitungsgeschwindigkeit

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Lerntext zum Thema Nervenzelle – Leitungsgeschwindigkeit

Nervenfasern – Definition

Bevor wir über die Unterscheidung der Nervenfasern und den Signaltransport sprechen, wollen wir die Frage klären: Was ist eine Nervenfaser? Eine Nervenfaser ist eine lange, schnurähnliche Bahn und Teil der Nervenzelle. Sie befindet sich am Zellkörper und wird in Axonhügel, Axon und Endknöpfchen unterteilt. Die Funktion einer Nervenfaser ist die Weiterleitung von Informationen von einer Nervenzelle zur nächsten oder beispielsweise zu einer Muskelfaser.
Man unterscheidet grundsätzlich zwischen motorischen und sensorischen und zwischen afferenten und efferenten Nervenfasern.
Zudem gibt es Unterschiede, wie schnell Signale in Nervenfasern weitergeleitet werden. Die Geschwindigkeit kann stark variieren, je nachdem, ob es sich um marklose oder markhaltige Nervenfasern handelt. Wie sich diese unterscheiden und warum sie so einen großen Einfluss auf die Signalweiterleitung haben, schauen wir uns im Folgenden genauer an.

Marklose Nervenfasern

Marklose Nervenfasern besitzen keine Gliazellen auf dem Axon. Das Axon ist sozusagen nackt. Marklose Nervenfasern führen eine langsame Reizweiterleitung aus. Mit einer Geschwindigkeit von $\pu{0,6 – 3 m/s}$ erfolgt die Reizweiterleitung auf kontinuierliche Weise vom Axonhügel durch das Axon bis hin zum Endknöpfchen bei Axonen mit einem Durchmesser von $\pu{0,3 – 1,5 µm}$.
Generell gilt, je größer das Axon im Durchmesser ist, desto schneller erfolgt auch die Reizweiterleitung. Betrachten wir beispielsweise den Tintenfisch mit seinem Riesenaxon. Hier liegt der Durchmesser bei $\pu{500 – 1000 µm}$. Eine Reizweiterleitung erfolgt mit einer Geschwindigkeit von bis zu $\pu{20 m/s}$.

Marklose Nervenfasern – Weiterleitung des Signals

Um zu verstehen, warum die Signalweiterleitung in marklosen Nervenfasern langsamer ist und mehr Energie benötigt als in markhaltigen Nervenfasern, schauen wir uns noch einmal an, wie genau das Signal weitergeleitet wird.
Im Nervenzellkörper wird ein Reiz in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses führt zu einer Depolarisation der Zellmembran. Ab Erreichen eines bestimmten Schwellenwertes wird am Axonhügel ein Aktionspotenzial ausgelöst. Dieses Aktionspotenzial wird nun in Form von Ladungsunterschieden vom Axonhügel über das gesamte Axon weitergeleitet.
Sobald ein Aktionspotenzial durch eine Stelle der Nervenzelle durchgelaufen ist, muss dort wieder das ursprüngliche Membranpotenzial hergestellt werden. Die Natrium-Kalium-Pumpen werden aktiviert und sorgen für den Ausgleich. Natrium wird aus dem Axon transportiert, Kalium fließt in das Axon. Für diesen Vorgang wird Energie in Form von ATP durch Spaltung verbraucht. Die Axonwand ist regelmäßig mit Natrium-Kalium-Pumpen durchbrochen. Bei marklosen Nervenfasern sind es etwa $\pu{500 pro µm2}$.

Marklose Nervenfasern – Vorkommen

Marklose Nervenfasern kommen vorwiegend in wirbellosen Tieren vor. Ein Beispiel ist die Biene. Aufgrund ihrer geringen Größe ist eine Reizweiterleitung von etwa $\pu{3 m/s}$ ausreichend, um Informationen weiterzuleiten. Bei uns Menschen finden wir marklose Nervenfasern zum Beispiel in Magen und Darm. Diese führen keine schnelle Bewegung durch oder reagieren auf eine Notsituation – daher sind auch hier geringere Geschwindigkeiten der Reizweiterleitung ausreichend.

Markhaltige Nervenfasern

Im Unterschied zu marklosen Nervenfasern sind bei markhaltigen in regelmäßigen Abständen Gliazellen um das Axon gewickelt. Diese bilden Myelinschichten als Isolationsschicht. Eine andere Bezeichnung für diese bestimmte Art der Gliazelle ist schwannsche Zelle. Zwischen benachbarten schwannschen Zellen befindet sich je ein ranvierscher Schnürring. Das ist ein markloser Abschnitt des Axons. Da diese Nervenfasern einen geringeren Durchmesser gegenüber den marklosen besitzen, benötigen sie weniger Platz und für ihre Herstellung weniger Baumaterial.

Markhaltige Nervenfaser – Erregungsleitung

Vorteilhaft sind die schwannschen Zellen bei der Reizweiterleitung. Da eine Änderung des Membranpotenzials nur an den ranvierschen Schnürringen stattfinden kann, erfolgt die Weiterleitung des Aktionspotenzials sprunghaft, auf saltatorische Weise. Mit einer Geschwindigkeit von bis zu $\pu{120 m/s}$ wandert der Reiz recht schnell und die Nervenfasern arbeiten effizienter in der Informationsweitergabe als marklose. Bei markhaltigen Nervenfasern besitzt das Axon nur an den ranvierschen Schnürringen die Natrium-Kalium-Ionenpumpen. Durch diese räumliche Begrenzung konzentriert sich die Anzahl auf $\pu{12000 pro µm2}$. So können hohe Konzentrationen an Ionen schneller transportiert werden, ohne jedoch alle Pumpen in Gebrauch zu nehmen. Der Energieverbrauch beschränkt sich nur auf die Schnürringe und nicht auf die gesamte Axonlänge, daher wird weniger benötigt.

Markhaltige Nervenfaser – Vorkommen beim Menschen

Für Menschen sind markhaltige Nervenfasern für schnelle Reaktionen notwendig. Sie kommen überall im Körper vor. Dabei dienen sie nicht nur schnellen Bewegungen, sondern sind auch im Straßenverkehr für die Achtsamkeit notwendig. Am wichtigsten ist ihre Funktion für Reaktionen auf Gefahrensituationen. Eine schnelle Reizweiterleitung ist für schnelle Reaktionen lebensnotwendig.

Marklose und markhaltige Nervenfasern im Vergleich

In der Abbildung kannst du dir den Aufbau einer markhaltigen (myelinisierten) und einer marklosen Nervenfaser genauer ansehen. Der einzige Unterschied, den du feststellen wirst, sind die Gliazellen, welche bei der myelinisierten Nervenfaser um das Axon gewickelt sind.

Nervenfaser Aufbau

Als Zusammenfassung führen wir die wichtigsten Unterschiede von marklosen und markhaltigen Nervenfasern noch einmal in einer Tabelle auf.

marklose Nervenfasern markhaltige Nervenfasern
Geschwindigkeit niedriger, max. $\pu{20 m/s}$ (Riesentintenfisch) schneller, bis zu $\pu{120 m/s}$
Durchmesser größer bei gleicher Leistung kleiner bei gleicher Leistung
Weiterleitung des Aktionspotenzials kontinuierlich saltatorisch
Anzahl Natrium-Kalium-Pumpen ca. $\pu{500}$ pro $\pu{µm2}$ ca. $\pu{12000}$ pro $\pu{µm2}$, nur an den Schnürringen
Energieverbrauch hoch niedrig

Wenn du noch einmal wiederholen willst, wie eine Nervenzelle genau aufgebaut ist, sieh dir hier nochmals die Informationen an: Nervenzelle – Bau.
Mehr zum Thema Reizweiterleitung in Nervenzellen findest du im Video Erregungsleitung Nervenzelle.

Nun kannst du bestimmt sehr gut unsere Aufgabenblätter und interaktiven Übungen mit deinem Wissen lösen.

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Die Autor*innen
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sofatutor Team
Nervenzelle – Leitungsgeschwindigkeit
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse