Moderne Methoden der Zellbiologie

V: Bioelektrizität    (INHALT)

Volta und der Zitterrochen

Die Kontroverse um die Existenz von Bioelektrizität zwischen Galvani und Volta ist eigentlich schwer zu verstehen, denn die Existenz elektrischer Fische war im 18. Jahrhundert schon seit langem bekannt. Einige Fische können Spannungsschläge produzieren, die als sehr effektive Verteidigungswaffen oder zum Beutefang eingesetzt werden (Zitteraal, Zitterwels, Zitterrochen, Torpedo californica, rechts).   Volta selbst verglich die von ihm entwickelte Batterie (die Volta-Säule) mit dem elektrischen Organ dieser Tiere und bezeichnete die Volta-Säule (unten) als künstliches elektrisches Organ.   Quelle: Sanctuaries Web Group

Wie funktioniert ein elektrisches Organ?   Die elektrischen Organe von Zitteraalen (Electrophorus), Zitterrochen (Torpedo) und Zitterwelsen (Malapterurus) bestehen aus umgewandelten Muskelfasern, sogenannten elektrischen Platten, die nicht mehr kontrahieren können. Die elektrischen Platten sind auf der einen Seite papillös auf der anderen Seite glatt. Auf der glatten Seite befinden sich Synapsen, die wie die neuro-motorischen Endplatten aufgebaut sind. Sowohl die Dichte der Synapsen als auch die Dichte von niktotinischen Acetylcholinrezeptoren in der postsysnaptischen Membran ist äußerst groß. Bei Aktivierung der Nervenfasern kommt es deshalb zu einem starken Kationeneinstrom in die glatte Zellseite.   Die Auswirkung dieses Einstroms auf die elektrischen Verhätlnisse an der Platte sind rechts schematisch gezeigt. Im Ruhezustand (blau) ist das Membranpotential der Platte gleichmäßig negativ, und zwischen glatter und papillöser Seite der besteht keine Potentialdifferenz.

Bei Aktivierung der Nerven (rot) bewirkt der Kationeneinstrom durch die Acetylcholinrezeptoren eine starke Depolarisation der postsynaptischen Membran auf der glatten Seite der Platte. Die Polarität des Membranpotentials wird invertiert: Werte um +50 mV werden erreicht. Da das Potential auf der papillösen Seite unverändert negativ bleibt, ergibt sich eine Potentialdifferenz von 140 mV zwischen den beiden Seiten der Platte. Diese Spannung kann mit einer extrazellulären Meßelektrode (ganz rechts) registriert werden.

Mehrere Tausend dieser elektrischen Platten sind seriell in Säulen geordnet. Durch diese Serienschaltung summieren sich die Spannungsbeiträge der einzelnen Platten (jeweils 140 mv) zu hohen Spannungswerten, die fast 1000 V erreichen können. Die Stromstärke wird durch die Anzahl parallel angeordneter Säulen bestimmt und kann bis 50 A ansteigen.   Die rechte Abbildung ist eine Darstellung von Voltas Batterie: Auf einer Grundplatte aus Kupfer (C) ist eine Zinkplatte montiert, von der Kupferplatte durch eine mit Salzlösung getränkte Stoffschicht getrennt. Zwischen den beiden unterschiedlichen Metallplatten entsteht eine Spannung (Redox-Gleichgewicht). Kupfer-, Stoff- und Zinkschichten werden in der gleichen Abfolge aufeinandergeschichtet, so daß oben auf der Säule eine Zinkplatte (Z) liegt. Drei Glasstäbe halten die Säule zusammen. Die Gesamtspannung der seriell angeordneten Elemente der Batterie kann über die beiden Drähte abgegriffen werden.   Aus: DeFelice, L.J. (1981)