Was sind Reize und deren Klassifikation
Umweltfaktoren, die auf Zellmembranen einwirken und eine Reaktionsantwort des Organismus hervorrufen, werden als Reize bezeichnet. In der normalen Physiologie werden sie üblicherweise in fünf Hauptkategorien unterteilt:
- Physikalische. Dazu gehören mechanische Einwirkungen, Temperaturschwankungen, elektrischer Strom und andere physikalische Phänomene.
- Chemische. Dazu gehört die Einwirkung verschiedener chemischer Substanzen: Säuren, Laugen, Salze sowie endogener Regulatoren – Hormone und Mediatoren.
- Physikochemische. Diese hängen mit der Veränderung grundlegender Umweltparameter zusammen, wie osmotischer Druck, Ionenzusammensetzung und Wasserstoffionenkonzentration (pH-Wert).
- Biologische. Die Einwirkung anderer lebender Organismen, überwiegend Mikroorganismen (Bakterien, Viren).
- Informationelle. Eine spezielle Klasse von Reizen, die neben ihrer physikochemischen Natur eine bestimmte Bedeutung tragen. Sie sind durch physiologische Prozesse und soziale Interaktionen bedingt (z. B. emotionale Zustände, Warnrufe oder Lockrufe bei Tieren, menschliche Sprache).
Unspezifische (Trigger-)Reizbarkeit
Die Reaktionsantwort des Organismus beginnt mit einer Veränderung der Struktur von Zellmembrankomponenten. Man unterscheidet zwei Hauptarten der Reizbarkeit. Die erste davon ist die unspezifische.
Unspezifische Reizbarkeit ist völlig unabhängig von der Beschaffenheit des einwirkenden externen Agens. Die Hauptrolle bei der Entstehung der Antwort spielen interne Prozesse, die im lebenden Objekt (in erster Linie in dessen Membranen) ablaufen.
Der äußere Reiz erfüllt lediglich die Funktion eines Auslösemechanismus. Dieser Prozess wird in der Physiologie oft mit dem Abziehen eines Gewehrabzugs verglichen (daher der Name: Trigger bedeutet aus dem Englischen übersetzt „Abzug“). Unter dem Einfluss des Stimulus werden die Moleküle der Zellmembran schrittweise in einen bestimmten Zustand versetzt, wonach die Standardreaktion der Zelle automatisch ausgelöst wird.
Spezifische (selektive) Reizbarkeit
Spezifische Reizbarkeit zeigt sich überwiegend als Reaktion auf die Einwirkung biologisch aktiver Substanzen (einschließlich Arzneimittel). Ihr Mechanismus ist wesentlich komplexer und streng selektiv.
Die Realisierung einer spezifischen Antwort umfasst mehrere Schlüsselkomponenten:
- Rezeptorzonen. Auf bestimmten Abschnitten der Zellmembran befinden sich spezielle Eiweißmoleküle – molekulare Rezeptoren. Sie interagieren mit chemischen Substanzen nach einem strengen räumlichen Schlüssel-Schloss-Prinzip.
- Liganden. Das sind chemische Substanzen, die in der Lage sind, spezifisch an den Rezeptor zu binden. Die Bildung des Rezeptor-Ligand-Komplexes löst eine Kaskade biochemischer Reaktionen in der Membran selbst und im Protoplasma der Zelle aus.
- Ionenkanäle. Die Selektivität hängt zudem stark von den physikalischen Parametern der Protein-Ionenkanäle in der Membran ab. Deren Durchmesser ist so beschaffen, dass nur Moleküle einer streng definierten Größe die Poren passieren können.
Das Resultat dieser komplexen Interaktion ist die Anhäufung molekularer Veränderungen in den Membranen. Sobald diese Veränderungen ein kritisches Niveau erreichen, liefert das lebende Objekt eine spezifische Antwort auf den Reiz.
Evolutive Entwicklung der Eigenschaft
Aus phylogenetischer Sicht ist Reizbarkeit die urtümlichste, fundamentalste Manifestation der Beziehung eines jeden Lebewesens zur Einwirkung von Umweltfaktoren. Diese Eigenschaft ist ausnahmslos allen lebenden Zellen eigen.
Im Laufe des langen Evolutionsprozesses fand eine Spezialisierung der Gewebe statt. Infolgedessen transformierte sich die basale Reizbarkeit in eine neue, höher organisierte Eigenschaft – die Erregbarkeit. Im Organismus des Menschen und höherer Tiere ist die Erregbarkeit ein charakteristisches Merkmal spezialisierter Gewebe: des Nerven- und Muskelgewebes.
Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema
Welche Reizungsgesetze erregbarer Gewebe gibt es?
Es gibt folgende Reizungsgesetze erregbarer Gewebe, die die Parameter des Stimulus bestimmen, welche für das Entstehen einer sich ausbreitenden Erregung erforderlich sind:
- „Alles-oder-Nichts“-Gesetz (nach Bowditch) – untershwellige Reize rufen keine Reaktionsantwort hervor, während auf schwellenwirksame Reize eine maximale Reaktionsantwort erfolgt.
- Stärkegesetz – je größer die Reizstärke, desto größer ist die Reaktionsantwort, allerdings bis zu einer gewissen Grenze.
- Gesetz der Reizdauer – je länger die Reizung anhält, desto stärker ist – bis zu einem gewissen Grad – die Reaktionsantwort des Objekts.
- Kraft-Zeit-Gesetz (Weiss-Formel) – es besteht eine umgekehrte Abhängigkeit zwischen Stärke und Dauer des reizenden Impulses: je kürzer die Einwirkungszeit des Reizes, desto größer muss seine Stärke sein, um eine Erregung auszulösen.
- Gesetz des Reizgradienten (Akkommodation nach Du Bois-Reymond) – die Reaktionsantwort hängt von der Anstiegsgeschwindigkeit der Reizstärke ab.
- Gesetz der polaren Stromwirkung – Erregung entsteht unter der Kathode beim Schließen und unter der Anode beim Öffnen.
- Gesetz des physiologischen Elektrokotonus – umfasst Katelektrotonus und Aneklektrotonus.
Wie sind Protein-Ionenkanäle der Zellmembran aufgebaut?
Ionenkanäle werden von membraneständigen integralen Proteinen in Form eines Röhrchens mit einem Durchmesser von 0,5–0,7 nm gebildet. Der Aufbau eines typischen gattergesteuerten spezifischen Kanals umfasst:
- Mündung – der Eingang in den Kanal.
- Selektivitätsfilter – eine Engstelle, die die Selektivität bestimmt (lässt ein Ion passieren, wenn dessen Durchmesser mit dem Filterdurchmesser übereinstimmt).
- Gatter – Fortsätze des Proteinmoleküls, die die Durchlässigkeit des Kanals regulieren.
- Gattersteuerungsmechanismus – sorgt für die Öffnung des Gatters unter dem Einfluss des Membranpotenzials, von Liganden oder einer Membrandehnung.
Neben gattergesteuerten Kanälen gibt es gatterlose Kanäle (Leak-Kanäle bzw. Leckströme), die immer geöffnet sind und keine Gattermechanismen besitzen.
Was sind die Phasen des Aktionspotenzials bei der Zellerregung?
Das Aktionspotenzial bei der Zellerregung umfasst folgende Phasen:
- Vorspeak (lokale Antwort) – langsame partielle Depolarisation; der Mechanismus ist mit der schrittweisen Öffnung von Poren für Na⁺ und dem Einstrom von Na⁺ in die Zelle verbunden.
- Spike (Peak).
- Negatives Nachpotenzial (Nachdepolarisation).
- Positives Nachpotenzial (Nachhyperpolarisation) – Phänomen einer erhöhten Polarisation; Mechanismen: verstärkter K⁺-Ausstrom nach außen, manchmal Cl⁻-Einstrom in die Zelle.
Zur Merkhilfe für die 5 Reizarten nutzen Sie den Spruch (im Russischen): „Physiker chemisieren und formen biologische Information“ (Physikalische, Chemische, Physikochemische, Biologische, Informationelle).
Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen
Worin besteht der Unterschied zwischen Reizbarkeit und Erregbarkeit?
Reizbarkeit ist die universelle, urtümliche Eigenschaft aller lebenden Zellen, auf die Umwelt zu reagieren. Erregbarkeit ist eine evolutionär fortgeschrittene Form der Reizbarkeit, die nur für spezialisierte Gewebe (Nerven- und Muskelgewebe) charakteristisch ist.
Was bedeutet das Schlüssel-Schloss-Prinzip in Membranen?
Dies ist das Funktionsprinzip der spezifischen Reizbarkeit, bei dem eine chemische Substanz (Ligand) räumlich perfekt mit der Struktur des Proteinrezeptors auf der Membran übereinstimmt, wie ein Schlüssel zum Schloss passt.
Warum wird die unspezifische Reizbarkeit als Triggerreizbarkeit bezeichnet?
Weil der äußere Reiz nur als „Trigger“ (Abzug) fungiert. Er stößt lediglich interne Prozesse in der Zelle an, und der Charakter der Reaktion selbst hängt nicht von der Beschaffenheit dieses äußeren Reizes ab.
Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt
- Dynamik molekularer Veränderungen bei der Trigger-Reizbarkeit
- Arten und Aufbau molekularer Membranrezeptoren
- Funktionsprinzipien von Protein-Ionenkanälen
- Informationelle Reize: Einfluss von Emotionen und Sprache auf die Physiologie
- Unterschiede zwischen erregbaren und nicht erregbaren Geweben
Arbeiten Sie das Thema komplett im Kurs «Physiologie» durch
Hier ist die Zusammenfassung. Im Kurs finden Sie alles, was in Vorlesung und Prüfung gefragt wird.
- Vollständiger Leitfaden zum Thema „Reizbarkeit“ und weitere 4.128 Seiten des Fachbereichs
- Aufgaben und Tests nach jedem Thema – wie beim Kolloquium
- Der KI-Tutor beantwortet Ihre Fragen zum Thema jederzeit
- 114 Videolektionen zum Fach
Weitere Themen des Abschnitts „Allgemeine Eigenschaften, S. 13–16“
Kostenlose Video-Tutorials: PhysiologieKurze Lektionen mit Zusammenfassungen — ohne Registrierung.
Das Material wurde von Dozenten von WhiteCoat Pro nach dem Lehrplan medizinischer Hochschulen erstellt. Es hat Bildungscharakter.