Membranpotenzial, Ruhepotenzial, Aktionspotenzial

Neuron haben negatives Ruhepotential

-> wenn nachgeschaltete Neuron über die Schwelle aktiviert/ depolarisiert wird, wird wieder neues Aktionspotential ausgelöst usw.

• Zytosol = intrazellulär

• Innerhalb der Zelle mehr Negative Ladung als außerhalb der Zelle: Dann ist Membran negativ

• Ruhezustand: Intrazellulär mehr negative Ladung als extrazellulär -> deshalb negatives Ruhepotential

  
  

Terminologie

Änderungen des Membranpotentials:

• Depolarisation: Negativierung der Zelle relativ zum extrazellulären Raum nimmt ab.

• Hyperpolarisation: Negativierung der Zelle relativ zum extrazellulären Raum nimmt zu.

• Natrium: Im Ruhezustand niedrig permeabel

• Ionen können ggf. durch Membran durchfließen

Buch:

• Ionenkanäle werden aus großen Proteinen zusammengesetzt, die durch die gesamte Neuronenmembran hindurch reichen.

• Ist ein Kanal geschlossen (links), können keine Ionen passieren. Ist der Kanal geöffnet (rechts), passieren Ionen diese Öffnung und können, je nach Ladung und Konzentrationsgradient, in die Zelle hinein oder aus der Zelle hinaus.

Arten von Ionenkanäle

Ionenkanäle können nach dem jeweiligen Steuerungsmechanismus (gating) unterschieden werden:

 Ionotrope Rezeptoren:

• Proteine die gleichzeitig Ionenkanal und Rezeptor sind

• Der Kanal öffnet sich, wenn ein bestimmter Botenstoff „andockt“

Spannungsabhängige Ionenkanäle:

• Der Kanal öffnet und schließt sich in Abhängigkeit des Membranpotenzials (-> wichtig für den Mechanismus des Aktionspotenzials). -> gehen auf wenn Membran bestimmte Schwelle erreicht

Andere Kanaltypen:

• Manche Kanäle öffnen sich durch Licht, Wärme, Druck, Vibration o.ä.

• Sinnesphysiologie

• Kanäle die möglich machen das Signal von außen in der Umwelt ins Innere gelangen

• Rechts extrazellulär, links intrazellulär

• Kalium Ionen sind intrazellulär in deutlich höherer Konzentration vorhanden als extrazellulär

• Ioenn Sorten intrazellulär und extrazellulär in unterschiedlichen Konzentrationen vorhanden

• dafür verantwortlich welches Potential Zelle hat

Elektrostatische Kraft (-> Potenzialgefälle):

• Gleiche Ladungen stoßen sich ab, unterschiedliche Ladungen ziehen sich an!

Diffusionskräfte (->Konzentrationsgradient):

• Brown‘sche Molekularbewegung: chaotische Bewegung von Teilchen im „Ruhezustand“

• Temperaturabhängig, erst bei 0° Kelvin (-273° C) ist die Molekularbewegung bei 0.

• Tendenz zum Konzentrationsausgleich: Teilchen diffundieren entlang des Konzentrationsgradienten.(Bsp. Parfüm/ Pizzakarton Duft -> AM Anfang sehr hoch konzentriert in einer Ecke, zu späteren Zeitraum gleich verteilt im ganzen Raum -> diffundieren entlang ..)

Aus dem Zusammenspiel dieser Kräfte entsteht das

Membranpotential!

Anmerkung Buch:

Allgemein:

• In der Mitte ist die Lipid-Doppelmembran der Zelle zu erkennen.

• Das Zelläußere ist bei diesem Bild oben, das Zellinnere unten.

• Das Zellinnere ist negativ polarisiert.

A)

• Die großen Eiweiße tragen eine negative Ladung.

• Entsprechend der elektrostatischen Kraft würden die Eiweiße also die Zelle verlassen (in Richtung eines positiv geladenen Milieus), können aber durch ihre Größe nicht die Zellmembran passieren.

• Der Pfeil für die elektrostatische Kraft weist deshalb nach außen.

B)

• Kalium(K+ )-Ionen haben innerhalb der Zelle eine wesentlich höhere Konzentration als außerhalb.

• Entsprechend weist der Pfeil für den Konzentrationsgradienten nach außen.

• Allerdings tragen K+ -Ionen eine positive Ladung und werden somit in das negativ geladene Zellinnere gezogen. Entsprechend weist der Pfeil für die elektrostatische Kraft nach innen

C)

• Natrium(Na+ )-Ionen sind außerhalb der Zelle konzentrierter.

• Daher weist der Pfeil für den Konzentrationsgradienten nach innen.

• Na+ -Ionen tragen zudem eine positive Ladung und werden somit zusätzlich noch in das negativ geladene Zellinnere gezogen. Daher weist auch der Pfeil für die elektrostatische Kraft in das Zellinnere

D)

• Chlorid(Cl– )-Ionen sind außerhalb der Zelle häufiger anzutreffen als innerhalb.

• Entsprechend weist der Pfeil für den Konzentrationsgradienten nach innen.

• Aber Cl– -Ionen tragen eine negative Ladung und werden daher durch das negativ geladene Zellinnere abgestoßen. Entsprechend weist auch der Pfeil für die elektrostatische Kraft nach außen

• Die Na+ Kanäle sind im Ruhezustand geschlossen

• Trotz geschlossener Kanäle ist aber eine Zellmembran nie vollständig undurchlässig – mit der Zeit müsste doch Na+ langsam (über sogenannte Leckströme) in die Zelle hineindiffundieren, oder?

• Ja!

• Aber: Der Konzentrationsgradient für Na+ wird zusätzlich aktiv aufrechterhalten durch die Natrium-Kalium-ATPase (Natrium-Kalium-Pumpe)

Buch:

• wichtige Membranpumpe eines Neurons

• unter Aufwendung einer hohen Energiemenge befördert sie in einem Pumpzyklus 3 Na+ Ionen aus der Zelle raus und zwei K+ Ionen in die Zelle rein

• werden gegen ihres Konzentrationsgradienten bewegt

• Hohe Energiekosten (15% unseres Energiebedarfs auf Natrium-Kalium Pumpe zurückzuführen)

• Diese und weitere spezifische Ionenpumpen erhalten ununterbrochen den Konzentrationsunterschied von Na+ , Cl– und K+ zwischen dem Intra- und dem Extrazellulärraum

• Mithilfe dieser stabilisierenden Mechanismen bleibt bei den Neuronen das Membranpotenzial ständig bei ca. –68 mV, zumindest solange keine Signale eintreffen. Deshalb nennt man diesen Wert auch häufig Ruhepotenzial

Das Gleichgewichtspotenzial

• Elektrostatische Kraft und Konzentrationsgradient beeinflussen den Ionenfluss

• Das Gleichgewichtspotenzial einer Zelle für eine Ionensorte ist dasjenige Potenzial, das sich einstellen würde, wenn die Membran nur für diese Ionensorte permeabel wäre

• Das Gleichgewichtspotenzial ist somit das Nettoergebnis von elektrostatischer Kraft und Konzentrationsgefälle für eine Ionensorte

• Lässt sich mittels der Nernst-Formel berechnen (daher auch „Nernst-Potenzial“)

• Wird auch Umkehrpotenzial genannt: ändert sich die Spannung, dann kehrt sich die Richtung des Ionenflusses um

• wenn Kalium zusätzlich in die Zelle einströmt wird es gleichzeitig auch wieder nach außen abgegeben

• Über weite Strecken kann ich mit diesem Mechanismus keine Signale weiterleiten (IST ABER MÖGLICH MIT AKTIONSPOTENTIAL -> siehe unten)

• eine Messelektrode (links) und eine Stimulationslelektrode (rechts)

• negativen Reizimpuls setzen: je größer desto mehr verschiebt sich Ruhepotential für kurze Zeit ins negative (kehrt immer zum normalen Ruhepotential zurück)

Depolarisation:

• Setzte positive Impulse: was passiert? Wenn ich positive Strom injiziere wird es positiver

• Wenn Strom bestimmte Schwelle erreicht, entsteht plötzlich starke Positivierung im Membranpotential -> nennt sich Aktionspotential

• hat gleiche Amplitude unabhängig, wie stark der Reizimpuls war den ich in Zelle gesteckt habe

• Spike/ Aktionspotential: Kurze starke Positivierung; geht danach wieder runter

• muss bis zur Schwelle der Membran depolarisieren und nur dann wird Signal weitergeleitet (Bsp. ICE Zug Modell) bzw. ausgelöst

• Auslösen des Potentials geschieht durch synaptische Aktivität

• Neuron wird depolarisiert durch diese Synaptische Aktivität

• dann öfnnenn sich Natrium Kanäle die Spannungsabhängig sind

-> Warum geht der Natrium Strom wieder zurück?

-> Kanäle gehen nur kurz auf und werden dann wieder geschlossen

• Für Kalium Ionen ändert sich Situation (dadaurch das Zellinnere nun depolarisiert ist -> positiver wird)

• Pfeil (unten rechts rechts) dreht sich um -> auf Abbildung nicht erkennbar)

• ganz viel Kalium strömt aus Zelle raus (läuft dem Natrium Effekt entgegen) -> führt dazu das Aktionspotential schnell positiv ist durch Kalium Ausstrom aber schnell wieder runter geht

3 Prozesse:

• Natrium Einstrom: Rote Linie geht nach oben

• Kalium Ausstrom: rote Linie geht nach unten

• Wiederherstellung der Ursprungskonzentration von Klaium & Natrium durch Pumpe

Aktionspotential Entstehung Buch

• in dem Moment, in dem die Depolarisation im Axonhügel den Schwellenwert erreicht/überschreitet, öffnen sich die spannungsabhängigen Na+ Kanäle des Axonhügels

• Grund: Natrium ist extrazellulär häufiger als intrazellulär (Konzentrationsgradient drückt Na+ -Ionen somit in das Neuron), Zelle ist innen negativer als außen (elektrostatische Kraft zieht somit Na+ -Ionen in das Innere des Neurons)

• Das Öffnen der spannungsabhängigen Na+ -Kanäle ermöglicht den Na+-Ionen das, was sie möchten: in die Zelle fließen

Folgen für das Membranpotential:

1. Eine große Depolarisation erreicht den Axonhügel und depolarisiert dort die Membran über den Schwellenwert hinaus.

2. Als Konsequenz öffnen sich die spannungsabhängigen Na+ -Kanäle für einen kurzen Moment. Danach verschließen sie sich wieder und können nicht erneut geöffnet werden, bevor nicht die Membran ihren Ruhepotenzialwert erreicht hat (Refraktärzeit).

3. In dem kurzen Zeitraum strömen Na+ -Ionen in das Axon.

   • Das Eindringen von Na+ -Ionen dreht das Membranpotenzial an dieser Stelle um, sodass es innen positiver wird als außen.

4. Kurz bevor die Na+ -Kanäle ihre Refraktärzeit erreichen), öffnen sich die spannungsabhängigen K+ -Kanäle.

   • Das Verhältnis der intra- und der extrazellulären K+ -Ionen wurde ja durch das Gleichgewicht des Konzentrationsgradienten (drückt K+ -Ionen aus dem Neuron) und der elektrostatischen Kraft (zieht K+ -Ionen in das Neuron) bestimmt.

   • Das Einströmen der Na+ Ionen verändert dieses Gleichgewicht, da das Zellinnere nun positiver ist

   • DIe elektrostatische Kraft zieht K+ Ionen also nicht mehr ins Zellinnere —> können gemäß ihrem Konzentrationsgradienten nach außen fließen

   • Durch diesen Verlust an positiv geladenen K+ Ionen wird das Zellinnere wieder negativer, bis der alte Wert des Membranpotentials erreicht und sogar kurzfristig unterschritten wird (Hyperpolarisation)

5. Dann schließen sich auch die spannungsabhängigen K+ -Kanäle und lassen keine K+ -Ionen mehr raus.

   • Die Hyperpolarisation ist die Folge der kurzfristigen Anhäufung von K+ -Ionen direkt außerhalb der Membran. Diese diffundieren sehr schnell wieder weg.

6. Auch die Natrium-Kalium-Pumpe stellt sehr schnell das alte Niveau wieder her, indem sie für jeweils drei herausgepumpte Na+ -Ionen im Gegenzug zwei K+ -Ionen in die Zelle hineinholt.

   • Die Membran im Bereich des Axonhügels hat nun ihren alten Zustand wieder erreicht.

   • Das Neuron ist nun bereit für das nächste Aktionspotenzial.

-> Deporalisation: Kanäle gehen auf

• Zelle wird positiver (Natrium strömt ein) ->irgendwann stößt das positivere Intrazelluläre den positiv geladene Intrazellulärer Ball Chain ab 

• Ball & Chain Mechanismus hängt intrazellulär am Kanal dran zunächst

• Positiv geladenes Proteinbündel (Ball and chain)

• wird abgestoßen und von innen in den Kanal reingedrückt; Kanal geht wieder zu)

• Ionen werden dazu gebracht in der Zellmembran einzubauen (wie Channelrhodopsin 2)

• Lichtgesteuert (Ionen Kanal) -> geht durch Licht auf und bildet Natrium Kanal

• Kann durch Licht Aktionspotential auslösen in Zellen (aktivieren) -> Nur die wo ich vorher Channelrhodopsin 2 eingebaut hab (Kanal Protein)

• Kann Zellen so manipulieren das sie gehemmt werden durch Licht oder diese Aktionspotential auslösen

• Methode der O. macht sich die Mechanismen der Info Verarbeitung zu nutzen (durch bestimmte Stimulation können wir Aktionspotentiale auslösen)

-> nach Aktionspotential kann nicht unmittelbar wieder ein neues A. Potential ausgelöst werden

• wieso geht Frequenz hoch wenn Reiz stärker wird? (Frequenzkodierung)

• Nur wenn Reiz habe der auch so stark ist das er auch während relativen Refraktärzeit die Distanz zur Schwelle überwindne kann, nur dann können A Potentiale auch auslöst werden

• Reiz der gerade so ausreicht um Neuron zu Depolarisieren löst A Potential aus -> kann aber erst dann wieder neues auslösen nach Refraktärphase

Ursachen der Frequenzkodierung

1. Ein Reiz, der gerade soeben überschwellig ist, löst ein Aktionspotenzial aus.

2. Dieser Reiz kann erst wieder ein Aktionspotenzial auslösen, wenn die relative Refraktärzeit abgelaufen ist.

3. Überschwelligere Reize können dagegen auch während der relativen Refraktärzeit ein neues Aktionspotenzial auslösen.

4. Darüber hinaus ist die Steigung des Aufstriches des Aktionspotenzials bei stärkeren Reizen steiler, da sich mehr spannungsabhängige Na+ Kanäle schneller öffnen.

• viele Wirkstoffe & Gifte docken an diesen Mechanismus an

Pioniere der Neurowissenschaften

• Sir Alan Lyod Hodgin & Sir Andres Huxley

• Entschlüsselung der dem Aktionspotentiao zugrundeliegenden Prozesse -> Nobelpreis für Physiologie / Medizin 1963

• Untersuchungen am Giant Squid Axon

• 1)Elektrophysiologie: Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Zellen

• Voltage Clamp

• Patch Clamp

Voltage Clamp (Spannungsklemme)

• Entwickelt von Cole & Curtis in den 1930er Jahren

• Das Membranpotenzial wird experimentell auf einer vorgegebenen Spannung VC (Kommandopotenzial, command potential) Festgeklemmt

1) eine interne Elektrode misst das Membranpotential (Vm) und ist mit dem Voltage Clamp (Spannungsklemmen)- Verstärker verbunden (Vc)

2) Der Voltage Clamp Verstärker vergleicht das Membranpotential mit dem gewünschten (Befehls-) Potenzial

3) Wenn Vm vom Befehlspotential abweicht, injiziert der Klemmverstärker über eine zweite ELektrode Strom in das Axon. Diese Rückkopplungsanordnung bewirkt, dass das Membranpotential mit dem Befehlspotential übereinstimmt

4) Hier kann der Strom gemessen werden, der in das Axon und damit durch dessen Membran zurückfließt

• mittels Patch Clamp Technik können Ströme gemessen werden die durch einzelne Ionenkanäle fließen

• Sakmann & Neher

• Schnipsel von Zellmembran den ich reinsauge so klein, das da nur 1 Ionenkanal drin ist (so klein ist Pipetten Öffnung)

• Infos die ich u.a. erhalte: Wie Leitung ist usw.

Patch Clamp

• Dargestellt sind zwei Zeitpunkte auf dem Weg eines Aktionspotenzials, das sich von rechts nach links auf einem Axon entlang bewegt.

• Die Na+-Leitfähigkeit ist durch die Schattierung des Axons dargestellt.

• Am Beginn eines Aktionspotenzials ist die Leitfähigkeit sehr hoch (Na+-Ionen können in das Axon einfließen) und das Innere des Axons ist deshalb hell.

• In dem Axonabschnitt, der vorher aktiviert wurde (in der Abbildung ein Stückchen weiter rechts), sind die Na+-Kan.le mittlerweile refraktär.

• Das bedeutet, dass diese Kanäle keine Na+-Ionen mehr durchlassen und deshalb die Na+-Leitfähigkeit gegen null geht (das Axoninnere ist schwarz dargestellt).

• An der Stelle, an der das Aktionspotenzial beginnt, befinden sich somit auf der rechten Seite refraktäre Na+-Kanäle und auf der linken Seite aktivierbare Na+-Kanäle.

• Deshalb breitet sich das Aktionspotenzial nicht in beide Richtungen aus, sondern nur von rechts nach links.

Warum läuft das AP nicht in beide Richtungen?

• Die spannungsabhängigen Na+-Kanäle schließen nach ungefähr 1 ms und befinden sich dann in einer Refraktärzeit, in der sie nicht erneut aktivierbar sind

• Diese Refraktärzeit ist erst beendet, wenn die Spannung der sie umgebenden Membran wieder das Ruhepotenzial erreicht hat.

• Dies bedeutet, dass sich die rechts vom Aktionspotenzial liegenden Na+-Kanäle noch in der Refraktärzeit befinden, während die Na+-Kanäle auf der linken Seite jederzeit aktiviert werden können, wenn die Membran genügend depolarisiert wird

• Ranvier’sche Schnürrige: an dieser Stelle entfacht sich das AP erneut, breitet sich als Depolarisierung durch das nächste Myelinsegment aus, entfacht sich erneut am nächsten Ravier’schen Schnürring usw. (AP springt von Schnürring zu Schnürring)

  
  

Myelin

-> Ausbreitung des Aktionspotentials

Vorteile der salatorischen Erregungsleitung

1. Aktionspotentiale werden in myelinisierten Fasern schneller weitergeleitet als in unmyelinisierten Fasern -> Geschwindigkeitszuwachs durch schnelle passive Leitung (beschleunigt dadaurch)

2. Die Leitung erfolgt weitesgehend verlustfrei, da Aktionspotentiale stets neu aufgefrischt werden und Leckströme duch das Myelin minimiert werden (wird an Schnürringen aufgefrischt)

Im Ruhezustand eines Neurons ist die intrazelluläre

K+ Konzentration wesentlich höher als die

extrazelluläre K+ Konzentration, und viele K+ Kanäle

sind geöffnet. Wieso diffundiert K+ nicht einfach aus

der Zelle?