Kapitel 3 - Neuronale Membran im Ruhezustand

• Neuron leitet Informationen weiter mithilfe elektrischer Signale über bestimmte Entfernungen weiter

• Axon leitet diese Signale fort

• Art des Signals, die Neuron verwendet, durch Bedingungen in der speziellen Umgebung des NS bestimmt

• Im Cytosol des Axons tragen elektrisch geladene Atome (Ionen) die Ladung (und nicht freie Elektronen)

• dadurch weniger leitfähiger als Kupferdraht

• Axon nicht besonders gut isoliert (Ionen bewegen sich hinaus)

• Axon liegt in extrazellulärer Flüssigkeit mit hoher elektrischer Leitfähigkeit —> Ladung würde wie aus löchrigem Schlauch hinausfließen

• ABER: Axonmembran besitzt Eigenschaften, die es ihr ermöglicht, bestimmte Art von Signalen zu übertragen (Nervenimpuls, Aktionspotenzial)

• Mensch tritt auf Reißnagel

• Verletzung der Haut in Signale umgesetzt

• Signale wandern entlang der sensorischen Nervenfasern hinauf ins ZNS

• Im Rückenmark wird Info auf Interneuronen verteilt

• Von einigen dieser Neuronen führen Axone ins Gehirn (Schmerzempfindung wird hier wahrgenommen)

• Andere bilden Synapsen mit motorischen Neuronen (senden absteigende Signale in die Muskeln)

• Motorische Neuronen kontrollieren Beinmuskeln und lassen Fuß zurückziehen

bezieht sich auf Trennung von elektrischen Ladungen über Membran

= Für Weiterleitung verantwortlicher Nervenimpuls

• nehmen mit der Entfernung nicht ab (passiv weitergeleitete Signale aber schon)

• haben also festgelegte Stärke und Dauer

• Info wird codiert durch …

  • Frequenz der AP an einzelnen Neuronen

  • zeitliches Muster der AP an einzelnen Neuronen (also durch ein Muster von elektrischen Impulsen)

  • Verteilung & Anzahl der Neuronen, die in einem Nerv AP abfeuern

• Zellen, die AP erzeugen & weiterleiten können (Nerven- und Muskelzellen) haben erregbare Membran

• Aktion beim AP läuft an Zellmembran ab

• Innere Membran positiv geladen verglichen mit Äußeren

= Ladungsunterschied zwischen innen und außen (ruhende Zelle mit erregbarer Membran)

• wenn Zelle mit erregbarer Membran keine Impulse erzeugt —> im Ruhezustand

• Cytosol entlang der inneren Membranoberfläche ist im Verhältnis zur Außenseite negativ elektrisch geladen

• dieser Ladungsunterschied = RP

• AP ist somit eine kurze Umkehrung des RP

• Extra- und intrazelluläre Flüssigkeit (Cytosol)

• Membran

• Proteine

= Intrazelluläre Flüssigkeit

• bestehen beide v.a. aus Wasser

• im Wasser sind elektrisch geladene Atome (Ione) gelöst —> für RP und AP verantwortlich

= polares Molekül, weil Sauerstoffatom negative und Wasserstoffatome positive elektrische Ladung haben

• hat also ungleiche Verteilung der elektrischen Ladung

• beiden Wasserstoffatome und das Sauerstoffatom sind kovalent miteinander verbunden (= sie haben gemeinsame Elektronen)

• elektrische Polarität macht Wasser zu wirksamem Lösungsmittel für andere polare oder geladene Moleküle (sie wollen sich in Wasser lösen)

Weil Sauerstoffatom eine negative elektrische Nettoladung hat und die Wasserstoffatome eine positive elektrische Nettoladung

= elektrisch geladene Atome/Moleküle

= Ladungsträger, die der Weiterleitung von elektrischer Energie dienen  

= wenn positive und negative (entgegengesetzt geladene) Ionen durch elektrische Anziehungskraft zwischen ihnen zusammengehalten werden

• Kristall aus Natrium- und Chlorid-Ionen

• Kochsalz löst sich in Wasser leicht auf, da die geladenen Teilchen stärkere Anziehungskraft zu den Ionen haben als die Ionen untereinander

• Jedes vom Kristall ablösende Ion, wird von Wassermolekülen umgeben

  • bei positiven Ionen (Na+) so, dass Sauerstoffatom (negativer Pol) zum Ion zeigt

  • bei negativen Ionen (Cl-) so, dass Wasserstoffatom (positiver Pol) zum Ion zeigt

= Wassermoleküle, die jedes Ion umgeben

• isoliren Ionen wirksam voneinander

• abhängig von Differenz zwischen Anzahl an Protonen und Elektronen

• Differenz = 1 —> einwertiges (monovalentes) Ion

• Differenz = 2 —> zweiwertiges (divalentes) Ion usw.

• Kationen = positiv geladene Ionen

• Anionen = negativ geladene Ionen

• Na+ und K+ (einwertige Kationen)

• Ca2+ (zweiwertiges Kation)

• Cl- (einwertiges Anion)

= Substanzen, die wasserlöslich sind (z.B. Kochsalz)

= Substanzen, die nicht wasserlöslich sind (z.B. Öl, Lipide)

—> Verbindungen, deren Atome durch unpolare kovalente Bindungen zusammengehalten werden, können keine chemische Wechselwirkung mit Wasser eingehen

entstehen, wenn sich die gemeinsamen Elektronen gleichmäßig im Molekül verteilen

entstehen, wenn sich die gemeinsamen Elektronen ungleichmäßig im Molekül verteilen

= wasserunlösliche Moleküle

• wichtig für Struktur der Zellmembran

• formen bei AP und RP eine Mauer zwischen hydrophilen Ionen und Wasser

= wichtigsten Bausteine der Zellmembran

• enthalten lange unpolare Ketten aus Kohlenstoffatomen, die mit Wasserstoffatomen verbunden sind

• enthält an einem Ende des Moleküls eine polare Phosphatgruppe (1 Phosphoratom verbunden mit 3 Sauerstoffatomen)

• d.h. haben polaren Kopf (Phosphat, hydrophil) und unpolaren Schwanz (Kohlenstoff, hydrophob)

= Nervenzellmembran

• isoliert Cytosol des Neurons von extrazellulärer Flüssigkeit

• besteht aus 2 Moleküle breiten Schicht aus Phospholipiden:

  • hydrophilen Köpfe grenzen an äußere und innere wässrige Umgebung

  • hydrophoben Schwänze einander zugewandt

= Moleküle bestehend aus 20 verschiedenen Aminosäuren

• Neuronen unterscheiden sich von anderen Zellen durch Art und Verteilung der Proteinmoleküle

  • Enzyme (katalysieren chemische Reaktionen im Neuron)

  • Cytoskelett (gibt die Form)

  • Rezeptoren (reagieren auf NT)

  —> bestehen alle aus Proteinmolekülen

besitzen …

• Zentrales Kohlenstoffatom (𝛼 – Kohlenstoff)

  
  

  —> mit 4 Molekülgruppen kovalent verknüpft:

  • Wasserstoffatom (H)

  • Aminogruppe (H3N+)

  • Carboxylgruppe (COO-)

  • Variablen Gruppe (R-Gruppe)

Aminosäure

entstehen durch unterschiedliche Größen und Eigenschaften der R-Gruppe

An Ribosomen im Zellkörper:

• Aminosäuren zu Kette zusammengefügt

• Aminosäuren untereinander mit Peptidbindungen verbunden

• Immer Aminogruppe einer Aminosäure mit Carboxylgruppe der vorigen Aminosäure verbunden

= Proteine, die aus einer einzigen Kette von Aminosäuren bestehen

• Primärstruktur: Kette, in der Aminosäuren mit Peptidbindungen verknüpft sind

• Sekundärstruktur:  Wenn Proteinmolekül synthetisiert wird, kann Polypeptidkette Spiralform annehmen —> 𝛼 – Helix

• Tertiärstruktur: 3D Faltung des Polypeptids —> WW zwischen R-Gruppen verändern 3D-Struktur des Moleküls

• Quartärstruktur: wenn sich verschiedenen Polypeptidketten aneinander binden und so ein größeres Molekül bilden

• Bereiche, in denen unpolare R-Gruppen nach außen zeigen = hydrophob und assoziieren leicht mit Lipiden

• Bereiche mit exponierten polaren R-Gruppen = hydrophil und meiden Lipidumgebungen

• = stabförmig

• An beiden Enden polare Gruppen —> hydrophil

• in Mitte/im Inneren der Membran unpolare Gruppen —> hydrophob

• Können sich durchgängig in Phospholipiddoppelschicht verankern

• Bestehen aus Kanalproteinen, welche Kanäle bilden

• d.h. bestehen aus membrandurchspannenden Proteinmolekülen (meist 4 oder 5), die sich zusammenfügen und Pore bilden

• Ionenselektivität

  • bestimmt durch Durchmesser der Pore und Eigenschaften der R-Gruppen

  • z.B. Kaliumkanäle selektiv für K+ durchlässig, Natriumkanäle selektiv für Na+ durchlässig ...

• Steuerung („Gating“)

  • durch Veränderungen in lokalen Umgebung der Membran können Kanäle geöffnet oder geschlossen (also gesteuert) werden

• bestehen auch aus membrandurchspannenden Proteinen, welche Pumpen bilden

• transportieren bestimmte Ionen quer durch Membran

• nutzen dafür Energie, die durch Abbau von ATP generiert wird

• stellen sicher, dass Konzentrationsgradienten der Ionen aufgebaut und aufrechterhalten werden

• wichtig bei neuronalen Signalübertragung (pumpen Na+ und Ca2+ nach außen)

• Diffusion (also abhängig von Konzentrationsgradienten)

• Elektrizität (also abhängig von elektrischer Spannung der Membran)

= Nettobewegung von Ionen aus Bereichen mit hoher Konzentration zu Bereichen mit niedriger Konzentration

In Wasser gelöste Ionen ständig in Bewegung (zufällig und temperaturabhängig)

• führt zu gleichmäßiger Verteilung der Ionen

• Diffusion treibt also Ionen entlang des Konzentrationsgradienten (= Konzentrationsunterschied zweier Seiten)

• Diffusion bewirkt, dass Ionen durch Kanäle in Membran wandern

• dauert länger, wenn thermische Energie reduziert (d.h. wenn es kalt ist)

• Für Ionen durchlässige Kanäle (permeable Kanalproteine)

• Konzentrationsgradienten quer zur Membran

= Ionen könne sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes bewegen (weil Ionen elektrisch geladene Teilchen sind)

• = anderer Mechanismus für das Auslösen einer Ionenbewegung

• führt dazu, dass entgegengesetzte Ladungen sich anziehen, gleiche sich abstoßen —> Bewegung von elektrischer Ladung

• z.B. Drähte von den Polen einer Batterie in eine Lösung mit NaCl gehalten

  • —> Na+ bewegt sich zum negativen Pol (Kathode)

  • —> Cl- zum positiven Pol (Anode)

= Bewegung der elektrischen Ladung

• Symbol: I

• Einheit (= Stärke gemessen mit): Ampere (A)

Positiver Strom = Strom in Richtung der Bewegung von positiver Ladung (Na+ von Anode zur Kathode)

= Kraft, die auf geladenes Teilchen ausgeübt wird

= Ergebnis von Ladungsunterschied zwischen Anode und Kathode (Potenzialdifferenz)

• beeinflusst wie viel Strom fließt

• höherer Unterschied, mehr Strom

• Symbol: V

• Einheit: Volt (V)

= relative Fähigkeit einer Ladung von einem Punkt zum anderen zu wandern

• Symbol: g

• Einheit: Siemens (S)

• abhängig von:

  • Anzahl der vorhandenen Partikel, die elektrische Ladung tragen können

  • Leichtigkeit, mit der sich Partikel bewegen können

= relative Unfähigkeit einer Ladung von einem Punkt zum anderen zu wandern

• Symbol: R

• Einheit: Ohm ()

= Kehrwert der Leitfähigkeit (R = 1/g)

= Zusammenhang zwischen Potenzial V, Leitfähigkeit g und Strommenge I

• I = V/R bzw. I = g*V

• Leitfähigkeit = 0 —> es fließt kein Strom (auch wenn Potenzialdifferenz groß) und umgekehrt!

= Spannung an Nervenzellmembran zu beliebigem Zeitpunkt

• Symbol: Vm

• Einheit: Volt (V)

• manchmal im Ruhezustand, manchmal nicht

• messbar, indem eine Mikroelektrode ins Cytosol eingeführt wird

= konstante Ladungsdifferenz von innen zu außen

• aufrechterhalten solange Neuron keine Impulse erzeugt

• Vm für ruhendes Neuron beträgt -65mV (wichtig für Funktionsfähigkeit des NS)

= elektrische Potenzialdifferenz, die Konzentrationsgradienten von Ionen genau ins Gleichgewicht bringt

• Symbol: EIon

• Gleichgewichtspotenzial für ein Ion ist das Membranpotenzial, das entsteht, wenn eine Membran für das Ion selektiv permeabel ist

1) Kleinste Veränderungen der Ionenkonzentration = Ursache für große Veränderungen des Membranpotenzials

2) Differenz der elektrischen Ladung entsteht an inneren und äußeren Membranoberfläche

• negative Ladungen im Inneren und positive im Äußeren ziehen sich in Richtung Membran an

• daher negative Ladung im Inneren nicht gleichmäßig verteilt, sondern an Innenseite der Membran (Membran speichert also elektrische Ladung = Kapazität) 

3) Rate des Ionenflusses durch Membran ist zur Differenz zwischen Membranpotenzial und Gleichgewichtspotenzial proportional (=elektrochemische Triebkraft)

• Ionen bewegen sich nur, wenn es Gradienten gibt

4) Wenn Konzentrationsunterschied an Membran für Ion bekannt, lässt sich Gleichgewichtspotenzial für dieses Ion berechnen

• Voraussetzung: Kenntnis des Konzentrationsunterschieds an Membran für ein Ion

= Berechnung des genauen Wertes eines Gleichgewichtspotenzials für jedes Ion

• beinhaltet Ladung des Ions, Temperatur und Verhältnis zwischen äußerer und innerer Ionenkonzentration

Neuronales Membranpotenzial abhängig von Ionenkonzentration innen und außen

• K+-Konzentration innen höher, Na+- und Ca2+-Konzentration außen höher!

• Entstehen durch Aktivität der Ionenpumpen in Nervenzellmembran

  • Natrium-Kalium-Pumpe

  • Calciumpumpe

= Enzym, das ATP bei Anwesenheit von internem Na+ (d.h. im Intrazellulärraum) abbaut

• chemische Energie wird freigesetzt

• dadurch Pumpe angetrieben

• dabei tauscht sie Na+ aus dem Inneren gegen K+ aus dem Äußeren aus

• d.h. K+ wird im Inneren und Na+ im Äußeren gegen ihren Konzentrationsgradienten konzentriert  

• dazu braucht es metabolische Energie

• die Pumpe verbraucht etwa 70% der ATP-Menge, die Gehirn benötigt

= Enzym, das Ca2+ aus Cytosol (Inneren) hinaus transportiert

• Konzentration von Calcium in der Zelle daher sehr niedrig

• calciumbindende Proteine und Organellen (z.B. Mitochondrien und Teile des endoplasmatischen Reticulums) verringern die Ca2+Konzentration im Inneren, indem sie beide Ionen aufnehmen und anreichern

• Pumpen bauen Konzentrationsgradienten auf —> wenn bekannt, mittels Nernst-Gleichung Gleichgewichtspotenziale berechnen

• Gleichgewichtspotenzial von einem Ion ist das Membranpotenzial, das entsteht, wenn ein Neuron für ein Ion selektiv permeabel ist

• ABER: die meisten Neuronen sind für mehr als ein Ion durchlässig

• DESHALB: gemessene RP eines durchschnittlichen Neurons liegt bei -65mV, das ist dem von K+ (-80 mV) angenähert, aber nicht gleich, da Neuronen im Ruhezustand nicht nur für K+ sondern auch für Na+ (-62mV) permeabel sind

• relative Permeabilität der ruhenden Nervenzellmembran ist für K+ hoch und für Na+ niedrig

zur Berechnung des Ruhemembranpotenzials

• relative Permeabilität muss bekannt sein

• gilt für Membran, die nur für Na+ und K+ bei 37 °C Körpertemperatur permeabel ist

• Haben meist 4 Untereinheiten

• Sind ähnlich wie ein Fass angeordnet, um Pore zu formen

• Verschiedene Kaliumkanäle teilen bestimmte strukturelle Eigenschaften

• Porenschleife = Teil des Selektivitätfilters

• Anordnung von Aminosäure-Resten an Poren des Kanals ist molekulare Basis von Selektivität

• Zellmembran im Ruhezustand besonders durchlässig für K+

• d.h. Membranpotenzial nahe bei Ek und sensitiv gegenüber extrazellulärer K+ Konzentrationsänderung

• Zunahme von extrazellulärem K+ depolarisiert also Neuronen

• viele Mechanismen entwickelt, die extrazelluläre Kaliumkonzentration regulieren

= Änderung des Ruhepotenzials -65 mV in positive Richtung

• Zunahme von extrazellulärem K+ depolarisiert also Neuronen

  
  

= spezialisierte Wände der Kapillaren im Hirn

• begrenzt Bewegung von Kalium (und anderen Substanzen) aus Blut in extrazellulären Raum des Hirns

• dieser Mechanismus hat sich im Laufe der Evolution durch die Empfindlichkeit des Membranpotenzials in Bezug auf K+ entwickelt

= Mechanismus für Regulierung von K+ durch Astrocyten

• Gliazellen (v.a. Astrocyten) nehmen extrazelluläres K+ auf sobald die Konzentration zunimmt (wie es normalerweise bei neuronaler Aktivität passiert)

• Astrocyten besitzen …

  • Kaliumpumpen (erhöhen die K+ Konzentration im Cytosol)

  • Kaliumkanäle

• Wenn K+ zunimmt, wandern K+- Ionen durch die Kaliumkanäle ins Innere der Astrocyten

  • ==> Depolarisation ihrer Membran

• durch Eindringen von K+ die Kaliumkonzentration im Zellinneren erhöht

• verteilt also K+ Ionen über das große Netzwerk hinweg (verbreiten sich entlang der Astrocytfortsätze)

• assistierte im Suizid von Janet Adkins (Alzheimer-Patientin) —> Euthanasie (Sterbehilfe)

• bekam intravenös harmlose Kochsalzlösung injiziert

• zuerst als Betäubungsmittel ==> Ohnmacht, Unterdrückung der Neuronenaktivität in Formatio reticularis

• dann als Kaliumchloridlösung ==> Herzstillstand und Tod

  
  

• erregbare Zellen funktionieren nur, wenn RP ihrer Membranen immer aufrecht erhalten werden kann (wenn sie nicht gerade feuern)

• negatives RP entsteht durch die selektive Ionenpermiabilität für K+

• Gehirn ist …

  • sehr empfindlich gegenüber der extrazellulären K+-Konzentration

  • gegenüber Veränderungen von K+ recht gut geschützt (andere Zellen wie Muskelzellen nicht)

• RP vermindert durch 10-fache Erhöhung extrazellulärer K+

• ohne negatives RP können Herzmuskelzellen also nicht mehr kontrahieren —> Herzstillstand

  
  

  intravenöse Injektion von Kaliumchlorid ist also tödlich!