1.Bioelektrizität

Ionenpumpe

*Protein (Enzym ) in deiner Zellmembran , das Ionen von einer Seite der Membran auf die andere Seite transportieren kann (Natrium Kalium Pumpe)

*Pumpt 3 Natriumionen aus der Zelle heraus und im Gegenzug dafür 2 Kaliumionen in die Zelle hinein

*Pumpe benötigt Energie und spaltet für jeden Transportvorgang ein Adenosintriphosphat (ATP) ab —> Natrium-Kalium-ATPase

Primär aktiver Transport

Transportprozess, der Energie benötigt —> läuft entgegen eines Konzentrationsgefälles ab —> Transport der Teilchen vom Ort niedriger zum Ort höherer Konzentration —> Pumpe hält den Konzentrationsunterschied in den Zellen aufrecht

Symport: Moleküle wandern entlang des elektrochemischen Gradienten in die gleiche Richtung

Antiport: erfordert, dass ein gelöster Stoff mit seinem Gradienten bewegt wird

Uniport:Erleichterte Diffusion entlang des Konzentrationsgradienten

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.

Elektrochemischer Gradient

Da die Zellmembran für Kaliumionen durchlässig ist, können diese von der Seite mit höherer Teilchendichte auf die Seite mit weniger Teilchen diffundieren. Sie wandern also vom Cytoplasma in den extrazellulären Raum. Das Teilchenungleichgewicht wäre damit aufgelöst. Die Triebkraft, mit der sich die Kaliumionen bewegen, nennt man chemisches Potential.

Da die Kaliumionen aber positiv geladen sind, verändert sich auch das elektrische Feld auf beiden Seiten der Membran. Das Cytoplasmaverliert an positiven Ionen und wird dadurch negativer. Man redet hier von einer Änderung der elektrischen Potentialdifferenz. Da die negativ geladenen Ionen die Membran nicht passieren können, kommt es zur Ionentrennung und es entsteht eine elektrische Spannung.

Der elektrische Gradient wirkt dem chemischen Gradienten entgegen. Der Ausstrom der Kaliumionen verringert sich, da weniger positiv geladene Kaliumionen in den positiven extrazellulären Raum wollen. Zusätzlich wollen die Kaliumionen aus dem extrazellulären Raum wieder zurück in das nun negativ geladene Cytoplasma. So pendelt sich die Ionenkonzentration an der Zellmembran ein.

Elektrochemisches Gleichgewichtspotential

Nernst-Gleichung

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.

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.

Spannungs-/Stromklemme

Analyse der über die Zellmembran fließenden Ströme

Bei dieser Versuchsanordnung werden zwei Elektroden in die zu untersuchende Zelle eingeführt. Eine Meßelektrode dient zur Registrierung der Ionenströme über der Zellmembran relativ zu einer extrazellulär gelegenen indifferenten Elektrode, während über die andere Elektrode stets so viel Strom in die Zelle eingespeist wird, daß das Membranpotential konstant gehalten wird. Der Betrag dieses Klemmstroms wird über die Meßelektrode von einen Rückkopplungsverstärker ermittelt. Durch Blockade einzelner Stromkomponenten konnten die Beiträge und die Kinetik von Na+- und K+-Strömen ermittelt werden.

Patch-Klemmpipetten

Ziehen und Polieren von Glaskapillaren für Patch-Clamp-Experimente

Die Patch-Clamp-Technik ist eine Messmethode in der Elektrophysiologie, mit der sich der Strom durch einzelne Ionenkanäle in der Zellmembran einer Zelle darstellen lässt, gemessen werden dabei Stromstärken von wenigen Picoampere (10−12Ampere).