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CHEMISCHE UNTERHALTUNGEN EISERNE NERVEN


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 8/2020 vom 18.07.2020

Kann es Gemeinsamkeiten zwischen einer Nervenfaser und einem Eisenstab geben? Und ob! Unter bestimmten Bedingungen zeigen die beiden erstaunliche Ähnlichkeiten.


Artikelbild für den Artikel "CHEMISCHE UNTERHALTUNGEN EISERNE NERVEN" aus der Ausgabe 8/2020 von Spektrum der Wissenschaft. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 8/2020

Matthias Ducci (links) ist Professor für Chemie und ihre Didaktik am Institut für Chemie an der Pädagogischen Hochschule Karlsruhe. Marco Oetken ist Abteilungsleiter und Lehrstuhlinhaber in der Abteilung Chemie der Pädagogischen Hochschule Freiburg.

spektrum.de/artikel/1744792

Eine Nervenzelle empfängt und verarbeitet Reize aus der Umwelt oder aus dem Körper. Sie leitet ihrerseits elektrische Signale über einen langen Fortsatz, das Axon, ...

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... weiter an andere Zellen, etwa Muskelfasern oder Drüsenzellen. Die Erregungsleitung basiert darauf, dass an der Innenseite der Zellmembran ein Überschuss an negativ geladenen Ionen vorliegt und an ihrer Außenseite ein Überschuss an positiv geladenen. Die Potenzialdifferenz liegt zwischen –30 und –150 Millivolt (mV). Bei einem Reiz ändert sich die Durchlässigkeit der Zellmembran für die Ionen. Positiv geladene Ionen (Kationen) strömen darauf hin ins Innere, wodurch das Membranpotenzial betragsmäßig absinkt (etwa von –70 auf –50 mV). Einen solchen Vorgang bezeichnet man als Depolarisation. Überschreitet der Betrag einen Schwellenwert, strömen plötzlich noch viel mehr Kationen hinein, und die Ladung an der Membran kehrt sich kurzzeitig um – ein so genanntes Aktionspotenzial ist ausgelöst worden. Zwischen dem erregten und dem benachbarten, nicht erregten Bereich der Membran fließen daraufhin sowohl im Außenmedium als auch im Zellinnern Ionenströme, um die Ladungen auszugleichen. Folglich verändert sich dort das Membranpotenzial ebenfalls. Wird dadurch der Schwellenwert erreicht, entsteht wieder ein Aktionspotenzial. Auf diese Weise wandert die Erregung weiter. Im Bild unten links ist der Mechanismus stark vereinfacht dargestellt.

Wird ein Nerv erregt, pflanzt sich ein Aktionspotenzial entlang der Nervenfaser fort (vereinfachte Darstellung).


Überraschend ähnlich reagiert ein Eisenstab, der in ein Gemisch aus Schwefelsäure-Lösung und Wasserstoffperoxid eintaucht. Eisen ist eigentlich ein unedles Metall, doch in dem Elektrolyten liegt es in einer bestimmten Form vor und verhält sich dadurch wie ein Edelmetall. So ist trotz des sauren Charakters der Lösung keine Wasserstoffentwicklung durch Korrosion zu beobachten. Das ist damit zu erklären, dass Eisen zu den so genannten passivierbaren Metallen zählt. Eigentlich sollte es unter den gegebenen Bedingungen rasch korrodieren. Die Reaktion:

sollte also leicht ablaufen. Tatsächlich löst sich das Metall aber sehr langsam auf, was durch eine Schutzschicht aus Oxiden oder anderen salzartigen Korrosionsprodukten bedingt wird. Im Fall des Eisenstabs in der genannten Lösung bildet sich durch die oxidierende Wirkung des Wasserstoffperoxids (H2O2) eine Schicht aus Eisen(III)-oxid auf der Metalloberfläche. Mit chemischen Symbolen geschrieben, lautet der Vorgang (die Abkürzungen »s« und »l« stehen für »fest« sowie »flüssig«):

Mit einem anschaulichen Versuch lässt sich die oben beschriebene Erregungsleitung an einem passivierten Eisen stab modellhaft nachvollziehen. Zunächst mischt man dafür 97,5 Milliliter Wasser mit 27,5 Milliliter Schwefelsäure- Lösung (Konzentration 1 mol/l) und 40 Milliliter Wasserstoffperoxid- Lösung (30 Gewichtsprozent H2O2 in Wasser). Hierbei ist zu beachten, dass die Ausgangslösungen exakt angesetzt sind. Als Modellnervenfaser dient ein etwa 30 Zentimeter langer, entfetteter und intensiv geschmirgelter Eisenstab (Durchmesser 3,2 Millimeter, Bezugsquelle: www.goodfellow.com, Artikelnummer FE007920). Man legt ihn in ein geeignetes Gefäß und gibt so viel von der Lösung hinzu, bis er rund zwei bis drei Zentimeter tief eintaucht. Beim Zufügen der Lösung ist für einige Sekunden noch eine Gasentwicklung am Eisenstab zu erkennen.

Ein Eisenstab liegt in schwefelsaurer Wasserstoffperoxid- Lösung passiviert vor. Durch Kontakt mit einer stabförmigen Zinkelektrode (oberes Foto links) lässt sich eine Gasentwicklung auslösen, die wie eine Welle über die Oberfläche wandert.


Die Berührung mit der Zinkelektrode aktiviert das Eisen im Bereich der Kontaktstelle.


Sie kommt jedoch schnell zum Erliegen, woraufhin der Stab passiviert vorliegt. Dieser Zustand entspricht dem einer nicht erregten Nervenfaser. Um einen Reiz zu simulieren, berührt man den Eisenstab an einem Ende eine halbe bis eine Sekunde lang mit einer stabförmigen Zinkelektrode oder einem kleinen Zinkblech. Der Kontakt löst eine Gasentwicklung am Eisenstab aus, die sich wie eine Welle über die gesamte Oberfläche bis zum Ende des Stabs fortpflanzt und dort zum Erliegen kommt (Fotos links) – analog einem Aktionspotenzial an einer Nervenfaser. Auch die chemischen Prozesse, die zu dem Phänomen führen, weisen überraschende Übereinstimmungen mit den neurophysiologischen Vorgängen auf.

Zink ist ein recht unedles Metall, das eingetaucht in die Lösung mit –0,62 Volt ein entsprechend niedriges Potenzial aufweist. Kommt es in Kontakt mit dem passivierten Eisenstab, der mit +0,6 Volt ein höheres Potenzial besitzt, gelangen Elektronen vom Zink auf den Stab. Dadurch wird die Eisenoxidschicht im Bereich der Kontaktstelle abgebaut. Mit chemischen Symbolen formuliert laufen folgende Prozesse ab (»aq« steht für »in Wasser gelöst«):

Somit ist der Eisenstab im Bereich der Kontaktstelle von dem passiven in den aktiven Zustand übergegangen, so dass das zuvor von der Oxidschicht geschützte elementare Eisen nun in direktem Kontakt mit der Lösung steht. Auf der restlichen Oberfläche befindet sich nach wie vor noch die Oxidschicht (Grafik unten, links). Die Gasentwicklung, die man nun sieht, ist auf den Zerfall des Wasserstoffperoxids zurückzuführen, den das aktive Eisen katalysiert: Bei dem sprudelnden Gas handelt es sich um Sauerstoff.

Die Aktivitätszone »wandert« entlang des Eisenstabs.


Mit der Aktivierung ändert sich das Potenzial des Eisens: Es sinkt ab. Das entspricht bei einer Nervenfaser dem Auslösen eines Aktionspotenzials. Nun grenzt der aktive Bereich mit niedrigem Potenzial direkt an einen passiven, der ein hohes Potenzial aufweist. Dadurch bilden sich Lokalströme von Elektronen, die den benachbarten Bereich ebenfalls aktivieren. Gleichzeitig kommt es zum Ladungsausgleich durch Ionenströme im Elektrolyten. Mit chemischen Symbolen lauten die Prozesse:

Das setzt sich bis zum Ende des Eisenstabs fort, wobei genau genommen weder die Aktivitätszone am Metallstab noch das Aktionspotenzial an der Nervenfaser wandern: Vielmehr werden sie in beiden Fällen durch lokale Stromkreise entlang des Stabs sowie der Nervenfaser fortlaufend neu gebildet (wie in der Grafik auf S. 50 sowie auf S. 51 unten rechts dargestellt).

Darüber hinaus ist die Zustandsänderung des Eisenstabs, genau wie im Fall der Nervenfaser, umkehrbar: Kurz nachdem ein Bereich aktiviert wurde, wird er durch die oxidierende Wirkung des Wasserstoffperoxids wieder passiviert. Weitere Untersuchungen mit Hilfe definierter kathodischer Stromstöße haben gezeigt, dass beim Eisenstab ebenso ein bestimmter Schwellenwert überschritten werden muss, um eine Aktivierung auszulösen. Das kann man qualitativ ganz einfach zeigen: So passiert beispielsweise bei Kontakt mit einer Kupfer- an Stelle einer Zinkelektrode nichts. Kupfer besitzt im betrachteten Elektrolyten ein höheres Potenzial als Zink. Infolgedessen fließt ein geringerer Kontaktstrom, der nicht ausreicht, um die Eisenoxidschicht in diesem Bereich abzubauen und eine Aktivitätswelle auszulösen. Das aus der Neurophysiologie bekannte »Alles-oder-nichts-Gesetz« gilt hier also genauso.

Ferner lässt sich wie bei der extrazellulären Ableitung an realen Nervenfasern die Wanderung der Aktivitätszone mit Hilfe von Ableitelektroden erfassen und deren Geschwindigkeit bestimmen. Sie beträgt rund 5 bis 8 Zentimeter pro Sekunde. An den Nervenfasern wirbelloser Tiere wie der Qualle erfolgt die Erregungsleitung mit etwa 0,5 Metern pro Sekunde (m/s). Bei Schaben, die ebenfalls ein recht einfaches Nervensystem besitzen, wurden Geschwindigkeiten von 1,5 m/s gemessen. Das würde bei Weitem nicht ausreichen, um den komplexen Organismus von Wirbeltieren zu steuern. In Nervenfasern der menschlichen Skelettmuskulatur werden Geschwindigkeiten von 120 m/s und in Hautnervenfasern 70 m/s erreicht. Doch wie ist das möglich?

Die Nervenfasern von Wirbeltieren sind von isolierenden Myelinscheiden umhüllt, die regelmäßig unterbrochen sind. Ein Aktionspotenzial wandert nun nicht mehr durch die gesamte Nervenfaser, sondern »springt« von einem frei liegenden Bereich zum anderen. Durch diese saltatorische Erregungsleitung pflanzen sich Signale deutlich rascher fort.


Ein in schwefelsaurer Wasserstoffperoxid-Lösung passivierter Eisenstab ist mit Hilfe von zirka ein Zentimeter langen Schlauchstücken stückweise isoliert. Analog zur saltatorischen Erregungsleitung in Nervenzellen wandert die Aktivitätszone sehr schnell über den Eisenstab.


Hier hat sich die Natur einen Trick einfallen lassen: Im Wirbeltierreich sind Nervenfasern oft von schwannschen Zellen umgeben. Sie bilden eine isolierende Hülle, die Myelin- oder Markscheide, indem sie sich um die Nervenfaser wickeln. Zwischen zwei schwannschen Zellen liegt jeweils ein kleines Stückchen der Axonmembran frei. Das ist etwa alle ein bis drei Millimeter der Fall, die Einschnürungen selbst sind nur etwa zwei Mikrometer lang. Hier wird die Erregung schneller weitergeleitet, denn das zeitintensive Entladen der Axonmembran für ein Aktionspotenzial muss nun lediglich an den kleinen Einschnürungen passieren. Das Aktionspotenzial »springt« quasi von Schnürring zu Schnürring (Grafik links). Nach dem lateinischen Wort »saltare« für »springen« bezeichnet man den Vorgang als saltatorische Erregungsleitung.

Um den Aufbau der markhaltigen Nervenfasern zu simulieren, wird der Eisenstab abschnittsweise isoliert – etwa mit Hilfe von Gewebeband (ein Zentimeter breit) oder kurzen Schlauchstücken (ein Zentimeter lang), die über den Eisenstab gestülpt werden. Zwischen den Isolierungen lässt man je rund drei bis vier Millimeter frei. Jetzt stellen sich zwei spannende Fragen: Läuft die Aktivitätszone trotz der Isolierungen bis zum Ende des Stabs durch? Und falls ja, geschieht das analog zur saltatorischen Er- regungsleitung schneller als am nicht isolierten Eisenstab?

Um das herauszufinden, muss man die Zusammensetzung der Lösung ein wenig verändern: An Stelle von 40 Millilitern gibt man nur 38,5 Milliliter der Wasserstoffperoxid- Lösung zu den oben angegebenen Mengen an Wasser und Schwefelsäure-Lösung. Und tatsächlich: Der Kontakt mit der Zinkelektrode löst eine Gasentwicklung aus, die entlang der frei liegenden Bereiche des Eisenstabs wandert, während in den isolierten Abschnitten keine Reaktion beobachtbar ist (Fotos links oben). Außerdem erreicht die Welle das Stabende deutlich schneller als beim nicht isolierten Eisenstab. Sie bewegt sich sogar zirka fünfmal schneller fort als im vorherigen Versuch, wie entsprechende Messungen zeigen.

Der Grund dafür liegt im Mechanismus der Weiterleitung. Durch den Kontakt mit der Zinkelektrode baut sich wie beschrieben die Eisenoxidschicht an derjenigen Stelle ab, wodurch Lokalströme entstehen. Erreicht die Aktivitätswelle den ersten isolierten Abschnitt, wird die Weiterleitung des elektrischen Signals zum nächsten frei liegenden Sektor nicht durch die zeitaufwändige Reduktion einer Eisenoxidschicht gebremst. Im ummantelten Bereich wird nämlich gar keine Oxidschicht gebildet, da kein Kontakt zum Elektrolyten besteht. Somit wird der elektrische Impuls viel rascher direkt durch den Stab zur nächsten Einschnürung weitergeleitet. Hier setzen der Abbau der Deckschicht und die sich daraus ergebenden Lokalströme wieder ein, bis zum nächsten isolierten Sektor. Die Aktivierung springt demnach wie die saltatorische Erregungsleitung von einer Einschnürung zur nächsten (Grafik unten).

Erreicht ein Signal das Ende einer Nervenfaser, gelangt es über eine Synapse zu anderen Zellen wie etwa Muskel fasern. Die beiden Membranen trennt hier ein dünner Spalt, weshalb das ankommende elektrische Signal nicht direkt weitergeleitet werden kann. Stattdessen wird es in ein chemisches Signal umgewandelt. Sobald ein Aktionspotenzial das Ende des Axons erreicht hat, setzt die präsynaptische Membran Neurotransmittermoleküle frei, beispielsweise Azetylcholin. Sie diffundieren durch den Spalt und sorgen dafür, dass an der postsynaptischen Membran ein Aktionspotenzial ausgelöst wird.

Mechanismus der diskontinuierlichen Aktivierungsausbreitung auf einem stückweise isolierten Eisenstab.


Wenige Tropfen Kochsalz-Lösung erzeugen Aktivitätswellen auf dem passivierten Eisenstab.


Auch der passivierte Eisenstab lässt sich durch einen chemischen Botenstoff aktivieren. So ist es möglich, durch Kochsalz-Lösung (1 mol/l) Aktivitätswellen auf dem Eisenstab zu erzeugen (Fotos oben). Hierzu fügt man an einem Ende des Gefäßes einige Tropfen davon zur enthaltenen Lösung hinzu. Nach zirka einer Minute sind die ersten ein bis zwei Zentimeter des Eisenstabs aktiviert, denn die Chlorid-Ionen wirken korrosiv und bauen die Eisenoxidschicht chemisch ab. Allerdings verbleibt dieser Bereich wegen der Chlorid-Ionen permanent im aktiven Zustand, wodurch eine Welle nach der anderen über den Eisenstab wandert. In Synapsen hingegen ist das nicht der Fall, weil spezielle Enzyme die Botenstoffmoleküle spalten, damit keine permanente Erregung stattfindet. Eine solche »Dauererregung« hätte fatale Auswirkungen auf den Besitzer des eisernen Nervs: Genau solch ein permanentes Feuern der Neurone bewirken nämlich Nervengifte wie Sarin, indem sie die den Botenstoff spaltenden Enzyme blockieren, was zur Atemlähmung und zum Tod führen kann. 

QUELLEN

Ducci, M.: Periodische und chaotische Oszillationserscheinungen an Metallelektroden und elektrochemische Modellexperimente zur Erregungsleitung am Nerven. Dissertation, Universität Oldenburg, 2000

Ducci, M., Oetken, M.: Nerven wie Drahtseile. Praxis Schriftenreihe Chemie 59, Aulis, 2007


MATTHIAS DUCCI

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