3. Vorlesung (ChatGPT): Nervenleitung

Ein Potential ist ein elektrischer Ladungsunterschied zwischen zwei Orten – z. B. Zellinneres vs. Zelläußeres.

• Innen vs. Außen: unterschiedliche Ionenverteilung → messbare Spannung

• Vergleichbar mit einer Batterie: zwei Pole, zwischen denen Strom fließen kann

• Kationen (+): positiv geladen, z. B. Na⁺, K⁺, Ca²⁺

• Anionen (–): negativ geladen, z. B. Cl⁻

• Prinzip: Gegensätzlich geladene Teilchen ziehen sich an (elektrostatische Wechselwirkung).

• Innen: mehr K⁺ und viele negativ geladene Proteine

• Außen: mehr Na⁺ und Cl⁻

→ daraus entsteht ein Ladungsungleichgewicht zwischen innen und außen.

• Eine Elektrode im Zellinneren, eine im Außenmilieu

• Spannungsdifferenz: ca. –70 mV

= Ruhepotential (Innenraum ist negativ im Vergleich zu außen).

1. Chemischer Gradient

2. Elektrostatische Kraft

3. Semipermeable Membran

4. Natrium-Kalium-Pumpe

• Ionen bewegen sich durch Brown‘sche Molekularbewegung

• Immer von Orten hoher Konzentration → niedriger Konzentration

• Positive Ionen (Na⁺, K⁺) werden vom negativen Zellinneren angezogen

• Negative Ionen (z. B. Cl⁻, Proteine⁻) werden abgestoßen

→ zieht Ladungen gezielt über die Membran.

• Durchlässig für bestimmte Ionen (z. B. K⁺ in beide Richtungen)

• Undurchlässig oder stark eingeschränkt für andere (z. B. Na⁺ → nur Leckstrom)

→ Selektivität sorgt für unterschiedliche Ionenkonzentrationen.

Die Pumpe transportiert aktiv (ATP-abhängig):

1. Bindet 3 Na⁺ innen → nach außen transportiert

2. Bindet 2 K⁺ außen → nach innen transportiert → verbraucht ATP → hält Ungleichgewicht und Ruhepotential aufrecht.

• Mit der Goldman-Gleichung → berücksichtigt Ionenkonzentrationen & Permeabilität

• Ergebnis: ca. –70 mV

• Grundlage: Kombination von chemischem Gradient, Elektrostatik, Membranpermeabilität & Natrium-Kalium-Pumpe.

• Kurzzeitige Umkehr des Membranpotentials (ca. 1 ms)

• Von –70 mV → bis ca. +50 mV

= Erregung der Nervenzelle

• Erst wenn die Schwelle von –55 mV erreicht ist → AP entsteht

• Unterhalb der Schwelle → kein AP

• Stärke des Reizes beeinflusst nicht die Form des AP (immer gleich)

Absolute Refraktärzeit:

• 1–2 ms nach AP

• kein neues AP möglich (Depolarisation & Repolarisation)

Relative Refraktärzeit:

• Während Hyperpolarisation

• Neues AP nur bei stärkerem Reiz möglich

• Nicht durch die Höhe des AP (immer gleich),

• sondern durch die Frequenz der APs:

– schwacher Reiz → selten APs

– starker Reiz → häufig APs

• Ruhepotential: –70 mV

• Schwelle: –55 mV

• Aktionspotential-Spitze: +50 mV

➡️ Diese Werte sind prüfungsrelevant (andere Zelltypen haben andere Werte).

• AP entsteht am Axonhügel

• Öffnung der Na⁺-Kanäle → Polaritätsumkehr lokal

• Ionenströme fließen zu benachbarten Kanälen → nächste Na⁺-Kanäle öffnen

• Dieser Prozess wiederholt sich → kontinuierliche Erregungswelle

• Ionenkanäle nur an Ranvierschen Schnürringen

• APs entstehen nur dort → Signal „springt“ von Ring zu Ring

= saltatorische Erregungsleitung (sehr schnell)

• Kanäle, die gerade benutzt wurden, befinden sich in der Refraktärzeit

• → Sie brauchen eine Erholungspause, bevor sie wieder öffnen können

• Daher kann das AP nicht zurücklaufen

Ohne Myelin (kontinuierlich):

• Langsam: bis 25 m/s

• Nur kurze Axone (bis 30 cm)

• Beispiel: Schmerz- & Temperaturnerven (C-Fasern), Wirbellose Tiere

Mit Myelin (saltatorisch):

• Sehr schnell: bis 120 m/s (≈ 400 km/h)

• Lange Axone bis 1,5 m (z. B. Ischiasnerv)

• Beispiel: Wirbeltiere, Mensch

• Ankommendes AP → Ca²⁺-Einstrom in präsynaptische Endknöpfchen

• Ca²⁺ bewirkt: Vesikel fusionieren mit Membran → Neurotransmitter (NT) werden freigesetzt

• NT binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran → öffnen Ionenkanäle (Na⁺ oder Cl⁻)

→ Spannungsänderung = postsynaptisches Potential

1. EPSP (exzitatorisch): erhöht Wahrscheinlichkeit eines AP

2. IPSP (inhibitorisch): verringert Wahrscheinlichkeit eines AP → Abhängig von Neurotransmitter & Rezeptorart

• Öffnung von Na⁺-Kanälen

• Na⁺ strömt in Dendriten → Depolarisation

• Folge: Neuron wird erregbarer (Feuerwahrscheinlichkeit ↑)

• Öffnung von Cl⁻-Kanälen (Cl⁻ rein) oder K⁺-Kanälen (K⁺ raus)

• Ergebnis: Hyperpolarisation

• Folge: Neuron wird gehemmt (Feuerwahrscheinlichkeit ↓)

• EPSP/IPSP:

– graduell (Stärke ∝ Signalintensität)

– breiten sich passiv im Zellkörper aus

• AP: Alles-oder-Nichts, aktiv weitergeleitet im Axon

• EPSP/IPSP:

– graduell (Stärke ∝ Signalintensität)

– breiten sich passiv im Zellkörper aus

• AP: Alles-oder-Nichts, aktiv weitergeleitet im Axon

• Gleichzeitige EPSPs/IPSPs an verschiedenen Synapsen addieren sich

• Möglichkeiten:

1. Verstärkte Erregung (mehr EPSPs)

2. Verstärkte Hemmung (mehr IPSPs)

3. Aufhebung (EPSP + IPSP = neutralisiert)

• Mehrere EPSPs/IPSPs von derselben Synapse in schneller Abfolge

• Kleine Änderungen summieren sich →

– Depolarisation bis zum AP

– oder Hemmung der Signalweiterleitung

• Am Axonhügel

• Dort summieren sich alle EPSPs & IPSPs

• Wenn Membranpotenzial von –70 mV auf ca. –55 mV depolarisiert → AP entsteht (Alles-oder-Nichts-Prinzip)