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Nervenzelle – Leitungsgeschwindigkeit

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Sabine Basine
Nervenzelle – Leitungsgeschwindigkeit
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Nervenzelle – Leitungsgeschwindigkeit

Inhalt

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.

Transkript Nervenzelle – Leitungsgeschwindigkeit

Hallo, mein Name ist Sabine und in diesem Video werden wir marklose und markhaltige Nervenfasern näher unter die Lupe nehmen. Jedoch müsstest du schon alles über Ruhepotential und Aktionspotential wissen, damit du dieses Video einwandfrei verstehst und dich Fremdwörter wie Natrium-Kalium-Pumpe nicht durcheinander bringen. In diesem Film widmen wir unsere Aufmerksamkeit vor allem dem unteren Teil der Nervenzelle, dem Axon. Marklose Nervenfasern finden wir vor allem bei wirbellosen Tieren. Beim Menschen kommen sie auch im Eingeweidenervensystem vor. Markhaltige Nervenfasern sind vor allem bei höheren Wirbeltieren zu finden. Dort dienen sie als motorische Fasern, die Gehirn und Muskeln verbinden, oder sensorische Fasern, die wichtige Informationen, zum Beispiel vom Auge aus ans Gehirn, senden. Die markhaltigen Nervenfasern zeichnen sich durch ihre Isolationsschicht aus Myelin aus. Diese wird durch die Schwann'schen Zellen gebildet. Diese sind mehrmals um das Axon gewickelt. Den Abstand zwischen zwei Schwann'schen Zellen bezeichnet man als Ranvier'scher Schnürring. Wird ein Reiz in einer marklosen Nervenfaser weitergeleitet, so geschieht das auf kontinuierliche Art und Weise. Ohne Unterbrechung wird der Reiz vom Axonhügel zum Axonendköpfchen geleitet. In einer markhaltigen Zelle springt ein Reiz von einem Ranvier'schen Schnürring zum nächsten Ranvier'schen Schnürring. Diese Erregungsleitung nennt man saltatorisch. Dass diese Erregungsleitung sprunghaft ist, merke ich mir folgendermaßen: In "saltatorisch" steckt das Wort "Salto" drin. Wenn man es ganz genau nimmt, leiten Nervenzellen keine Reize weiter, sondern Erregungen. Ein Reiz kommt an der Nervenzelle an, wird im Axonhügel verarbeitet und dann als Erregung weitergeschickt. Nun schauen wir uns die marklosen Fasern mal im Detail an. Bei einem kleinen Durchmesser von 0,3 bis 1,5 Mikrometern können diese Fasern einen Reiz mit einer Geschwindigkeit von 0,6 bis 3 Meter pro Sekunde weiterleiten. Je größer der Durchmesser des Axons, desto schneller können Reize weitergeleitet werden. Bei 500 bis 1000 Mikrometern können so maximal 20 Meter pro Sekunde erreicht werden. Dies ist zum Beispiel der Fall im Riesenaxon des Tintenfisches. Durch den größeren Durchmesser sinkt der elektrische Widerstand im Axon und der Schwellenwert wird eher erreicht und somit kann ein Aktionspotential weitergeleitet werden. Dieses Aktionspotential breitet sich auf der ganzen Membranfläche aus. Damit diese großen Axondurchmesser gebildet werden können, benötigt der Körper sehr viel Material, Platz für diese Axone und auch sehr viel Energie, um sie herzustellen. Wenn wir uns ein Axon jetzt mal im Längsschnitt angucken, sehen wir, dass es regelmäßig von Natriumkanälen durchbrochen wird; ungefähr 500 je Mikroquadratmeter. Diese sind notwendig, damit ein Aktionspotential entstehen kann und die Membranladung sich umpolt. Da sich, wie schon gesagt, dass Aktionspotential ja über die ganze Membran ausbreitet, muss sehr viel Energie dafür aufgewendet werden, die Ionen wieder in den Zustand des Ruhepotentials zurückzupumpen. Das heißt, der Körper verbraucht sehr viel Energie, um die Natrium-Kalium-Pumpe zu betreiben. Nun kommen wir zu den markhaltigen Fasern. Bei einem sehr kleinen Durchmesser von nur 20 Mikrometern schaffen es diese Fasern, mit einer Geschwindigkeit von 120 Metern pro Sekunde einen Reiz von A nach B zu leiten. Das heißt, im Vergleich zu marklosen Fasern, spart man hier Platz, Material und Energie. Das heißt, markhaltige Fasern sind sehr viel effektiver. Das macht man sich vor allem im Gehirn zunutze. Nun mal ein kleines Zahlenspiel von meiner Bio-Lehrerin. Wenn unser Sehnerv als marklose Faser die gleiche Leitungsgeschwindigkeit haben sollte, müsste er einen Durchmesser von 20 Zentimetern haben. Wie das in deinem Kopf aussehen würde, überlass ich jetzt mal deiner Fantasie. Bei markhaltigen Fasern entsteht ein Aktionspotential immer nur im Bereich der Ranvier'schen Schnürringe. Wenn wir uns jetzt mal ein solches Axon im Längsschnitt ansehen, haben wir links und rechts 2 Schwann'sche Zellen und in der Mitte den Schnürring. 12.000 Natriumkanäle je Mikroquadratmeter durchbrechen diesen Schnürring; das heißt, diese sind sehr hoch konzentriert. Da sich das Aktionspotential nur im Bereich der Ranvier'schen Schnürringe ausbreitet, muss auch nur an diesen Stellen die Natrium-Kalium-Pumpe arbeiten. Das heißt der Körper spart mit markhaltigen Nervenfasern sehr viel Energie. Fassen wir noch einmal zusammen, was wir jetzt in diesem Video erfahren haben. Marklose Nervenfasern schaffen es mit maximal 20 Metern pro Sekunde einen Reiz von A nach B zu leiten. Markhaltige Fasern haben eine Höchstgeschwindigkeit von 120 Metern pro Sekunde. Marklose Nervenfasern zeichnen sich durch einen großen Durchmesser aus und markhaltige durch einen kleinen. Die Erregungsleitung erfolgt bei marklosen Fasern kontinuierlich und bei markhaltigen saltatorisch. Die Natrium-Kalium-Pumpe muss sehr viel arbeiten bei marklosen Fasern. Deswegen haben wir einen hohen Energieverbrauch. Markhaltige Fasern sind viel effektiver und haben einen niedrigen Energieverbrauch, da die Natrium-Kalium-Pumpe nur im Bereich der Ranvier'schen Schnürringe arbeitet. Aber wozu braucht man denn dann noch marklose Fasern? Wie ich am Anfang gesagt habe, kommen marklose Nervenfasern vor allem bei wirbellosen Tieren vor und die sind ja meistens sehr klein, wie zum Beispiel diese Biene. Und für eine Biene sind 3 Meter pro Sekunde, um einen Reiz von A nach B zu leiten, völlig ausreichend. Dann kommen marklose Fasern auch noch in unserem Eingeweidenervensystem vor. Und im Magen, Darm und wie die ganzen Organe heißen, sind keine schnellen Bewegungen nötig. Deswegen können dort problemlos marklose Nervenfasern genutzt werden. Markhaltige Nervenfasern und ihre maximale Leitungsgeschwindigkeit von 120 Metern pro Sekunde ermöglichen uns Tätigkeiten wie zum Beispiel Sport. Nur so können wir schnell genug beim Fußball zum Beispiel auf Pässe reagieren, Bällen ausweichen und schnell von links nach rechts rennen. Das Gleiche gilt für den Straßenverkehr. Beim Autofahren muss man ständig konzentriert sein und schnell reagieren können. Dasselbe gilt bei Gefahr. Wenn du zum Beispiel deine Hand auf eine heiße Herdplatte hältst, wären 3 Meter pro Sekunde, um sie schnell wegzuziehen, viel zu wenig. Markhaltige Nervenfasern ermöglichen unsere schnellen Reaktionen und damit unser Überleben. Alles klar? Dann danke für's Zusehen und bis zum nächsten Mal, Sabine.

5 Kommentare

5 Kommentare
  1. Hallo :)
    Du darfst dabei zwei Dinge nicht verwechseln: "Nervenfaser" und "Axon". Denn das Axon hat bei markhaltigen Nerven einen viel kleineren Durchmesser als bei marklosen Nerven (der große Durchmesser ist nicht notwendig, da es ja die saltatorische Erregungsleitung bei markhaltigen Nerven gibt). Um das Axon wickelt sich aber eine Schicht von Myelinscheiden bei markhaltigen Nerven. Diese erhöhen natürlich den Durchmesser der gesamten Nervenfasern. Es gibt aber markarme und markreiche Nervenzellen, der genaue Durchmesser schwankt also, je nach Dicke der Myelinschicht.

    Von Marcel S., vor mehr als 7 Jahren
  2. Ich dachte marklose nervenfasern sind dünner als markhaltige...so hab ich das auch von meinem Lehrer gesagt bekommen

    Von Nik Man1, vor mehr als 7 Jahren
  3. Warum nicht gleich so in der Schule ? :)

    Super!!

    Von Chiara O., vor fast 9 Jahren
  4. Sehr gut
    besser als meine Lehrerin

    Von Lili 89, vor mehr als 10 Jahren
  5. Gutes Video!

    Von Mgrip, vor mehr als 11 Jahren
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