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1.Bioelektrizität

KS
von Kristina S.

7.Was ist das Ruhemembranpotential? Wie läuft die Messung ab?

Das Ruhepotential ist eine Spannungsdifferenz, die durch eine ungleiche Verteilung von Kalium- und Natrium-Ionen zwischen Intra- und Extrazellulärraum entsteht.

Die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials ist ein aktiv physiologischer Prozess.

Für die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials sind zwei Strukturelemente der Zellmembran veranwortlich:

  • die Natrium-Kalium-Pumpen (Na+/K+-Pumpen)

  • die Ionenkanäle (Natrium- und Kaliumkanäle)

An der Zellmembran laufen nun folgende Schritte ab:

  1. Die Na+/K+-Pumpen transportieren unter ATP-Verbrauch Kaliumionen in die Zelle und im Gegenzug Natriumionen aus der Zelle heraus. Innerhalb der Zellen herrscht daher eine höhere Kaliumkonzentration.

  2. Die Zellmembran ist für Ionen unterschiedlich durchlässig (permeabel), was auf die Ionenkanäle zurückzuführen ist. Die Natriumkanäle sind normalerweise geschlossen, während die Kaliumkanäle offen stehen, was die Diffusion von Kaliumionen ermöglicht. Das hat einen kontinuierlichen Ionentransport zur Folge, der auch als Leckstrom bezeichnet wird.

  3. Die Kaliumionen diffundieren so lange nach außen, bis sich ein Gleichgewicht zwischen den osmotischen und den elektrischen Kräften einstellt. Das heißt: Die Kaliumionen folgen dem osmotischen Gradienten zwischen hoher intrazellulärer und geringer extrazellulärer Kaliumkonzentration so lange, bis sie die in der Zelle verbliebene negative Ladung zurückhält.

Durch den Ladungsunterschied zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran, entsteht das Ruhepotential, das beim Menschen in den meisten Zelltypen zwischen -80 und -70 mV liegt. Dabei ist die Innenseite der Zellmembran negativ, während die Außenseite positiv geladen ist.

Überschreitet der an einer Nervenfaser eintreffende Reiz eine gewisse Schwelle, kommt es durch Öffnung der spannungsabhängigen Kalium- und Natriumkanäle zu einer Depolarisation und zur Auslösung eines Aktionspotentials, welches das elektrische Signal entlang des Verlaufs der Nervenfaser fortleitet.

2.2. Messung des Ruhepotentials

Das Ruhepotential kann mit Hilfe von Mikroelektroden an der lebenden Zelle gemessen werden. Dabei wird eine Messelektrode durch die Zellmembran in den Intrazellulärraum eingestochen und eine zweite Elektrode (Bezugselektrode) von außen an die Zelle gehalten. Per Definition ist das Zellinnere negativ geladen, so dass eine negative Spannung gemessen wird. Die Werte hängen vom Zelltyp ab und schwanken in der Regel zwischen -100 und -50 mV.

15.Was versteht man in Zusammenhang mit der Signalgnerierung unter Aktionspotential und Transduktionskanäle? Wie läuft sie ab?

Aktionspotential

ist ein elektrisches Signal, das innerhalb einer Zelle weitergeleitet werden kann. Dabei kommt es zu einer temporären Veränderung des Ruhepotentials der jeweiligen Zelle. Dieser kompliziert wirkende Ablauf ist dabei nichts weiter als eine Art Dosentelefon der Zelle. Besonders wichtig ist das Aktionspotential in deinen Nervenzellen (Neuronen).

Meist entsteht ein Aktionspotential als Reaktion auf einen Reiz. Dabei kann es sich um physikalische Reize, wie zum Beispiel Druck, handeln, die direkt auf spezialisierte Sinneszellen wirken. Viel häufiger werden Nervenzellen jedoch durch chemische Reize, also Neurotransmitter, die an Synapsen ausgeschüttet werden, zur Bildung eines Aktionspotentials veranlasst.

Am Beginn steht eine Reizung des Nervenzellkörpers (Soma) des Neurons. Dort treffen (meist von anderen Neuronen) chemische Signale ein, welche das Soma depolarisieren.

Man spricht von einer Depolarisation des Membranpotentials (Ruhepotential), dem PSP (postsynaptisches Potential) oder genauer dem EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potential).

Wenn das EPSP eine bestimmte Schwelle, das sogenannte Schwellenpotential, erreicht, wird am Axonhügel des Neurons ein Aktionspotential ausgelöst. Vorher liegt dort das sogenannte Ruhepotential vor.

Signal generation

Ein Aktionspotential ist durch eine Ladungsumkehrung an der Axonmembran gekennzeichnet. Während das sich Aktionspotential über die Membran ausbreitet, ändert sich die selektive Durchlässigkeit (Permeabilität) der Membran. Dadurch entsteht die für ein Aktionspotential typische Spannungskurve. Dieser Vorgang wird von der Ionentheorie beschrieben.

Von einer Depolarisation spricht man, wenn sich ein Potential vermindert. In diesem Fall reduziert sich die Ladungsdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite der axonalen Membran. Dies geschieht, wie oben erwähnt, durch ein EPSP des Somas.

17.Erkläre die Natrium-Kalium-Pumpen in Zusammenhang mit der Signalgenerierung.

Nun hat das Ruhepotential, welches am Axon ohne einen Reiz vorliegt, ungefähr einen Wert von -70 mV. Dabei ist es wichtig zu wissen, dass dabei außen an der Axonmembran Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl-) zugegen sind. Im Inneren der Membran finden sich Kaliumionen (K+) und organische Anionen (A-). Die Gesamtladungen innerhalb und außerhalb der Zelle sind dabei nahezu ausgeglichen. Durch Natrium-Kalium-Pumpen wird jedoch ein konstantes Ionenungleichgewicht aufrechterhalten. Das Ruhepotential wird dabei maßgeblich vom Gleichgewichtspotential der Kalium-Ionen bestimmt.

1. Die Depolarisation

Von einer Depolarisation spricht man, wenn sich ein Potential vermindert. In diesem Fall reduziert sich die Ladungsdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite der axonalen Membran. Dies geschieht, wie oben erwähnt, durch ein EPSP des Somas.

2. Die Repolarisation

Nachdem durch die Depolarisation das Membranpotential an seinem Peak einen deutlich positiven Wert angenommen hat, sinkt die Durchlässigkeit der Axonmembran für Na+ wieder. Es öffnen sich nun die spannungsgesteuerten Kaliumionenkanäle. Dadurch strömen Kaliumionen vom Axoninneren nach außen. Da positiv geladene Ionen aus dem Axon strömen, wird das Membranpotenial negativer. Dies bezeichnet man als Repolarisation.

3. Die Hyperpolarisation

Der verstärkte Ausstrom von Kalium-Ionen führt dazu, dass das Ruhepotential von -70 mV oft kurzzeitig unterschritten wird. Es kann sogar bis zu -100 mV erreichen, wird also noch negativer. Dies liegt daran, dass die spannungsabhängigen Kaliumkanäle träge auf das Erreichen des Ruhepotentials reagieren und sich erst mit einer leichten Verzögerung wieder schließen.

4. Die Wiederherstellung des Ruhepotentials

Nun liegt nach der De- und Repolarisation ein Zustand vor, in welchem sich die Natriumionen auf der Axon Innenseite befinden, die Kaliumionen auf der Außenseite. Damit das Ruhepotential mit der anfänglichen Ionenverteilung wiederhergestellt werden kann, gibt es die Natrium-Kalium-Pumpe. Durch diese werden die Konzentrationen mit Kaliumionen im Axon und Natriumionen außen geschaffen.

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Kristina S.

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