Kapitel 4 - Aktionspotenzial

• Ruhezustand = Cytosol im Vergleich zum Extrazellulärraum negativ

• Aktionspotenzial = schnelle, kurzzeitige Umkehrung in positiven Zustand

  —> auch Spike, Nervenimpuls oder Entladung genannt

1) Aufstrich

2) Overshoot

3) Fallende Phase

4) Undershoot (= Nachhyperpolarisation)

5) Ruhepotenzial (langsam wiederhergestellt)

= schnelle Depolarisation der Membran bis Vm Maximum von 40mV hat

• wenn Innenseite der Membran ein negatives elektrisches Potenzial aufweist, gibt es starke elektrochemische Triebkraft für Na+ Ionen

• deshalb strömen NaC-Ionen durch die geöffneten Natriumkanäle schnell in Zelle und verursachen dort eine rasche Depolarisation

= Innere des Neurons im Vergleich zum Äußeren kurz positiv geladen

• da Na+ Ionen bei der relativen Permeabilität der Membran stark bevorzugt werden, erreicht Membranpotenzial einen Wert, der sehr nahe bei ENa liegt und dadurch größer als 0 mV ist

= schnelle Repolarisation

• spannungsabhängige Na+ Kanäle werden inaktiviert

• spannungsabhängige K+ Kanäle werden geöffnet

• wenn Membran stark depolarisiert —> starke elektrochemische Triebkraft wirkt auf K+ Ionen

• dadurch strömt K+ aus Zelle heraus ==> Membranpotenzial wieder negativ

= Membran tatsächlich negativer ist als Ruhepotenzial

—> RP stellt sich langsam wieder ein

• geöffneten spannungsabhängigen Kaliumkanäle erhöhen die Membrandurchlässigkeit des Ruhezustands

• wegen der geringen Na+ Permeabilität nähert sich Membranpotenzial dem EK und führt zu einer Hyperpolarisation, bis sich die spannungsabhängigen Kaliumkanäle wieder schließen

1. Ruhepotenzial

2. Aufstrich

3. overshoot

4. fallende Phase

5. undershoot

Dauer: von Anfang bis Ende ca. 2 ms

—> alle AP´s haben gleiche Größe, Dauer und nehmen nicht ab, wenn sie entlang Axon weitergeleitet werden

—> Frequenz und Muster vom AP entscheidend für Codierung von Infos (sie bilden den Code, den das NS zur Verarbeitung von Infos nutzt)

= Spannungsmessgerät

• gut, um schnelle (Membran-)Veränderungen wie AP aufzuzeichnen

• ca. 100x schneller als ein Augenzwinkern

1) Intrazelluläre Messung

(misst Potenzialdifferenz zwischen Spitze der intrazellulären Elektrode und Referenzelektrode in Lösung)

2) Extrazelluläre Messung

(misst Potenzialdifferenz zwischen extrazellulären Messelektrode und Referenzelektrode)

• Reißnagel tritt durch Haut

• Membran der Nervenfasern der Haut wird gedehnt

• Na+ permeable Kanäle öffnen sich

• wegen der starken Konzentrationsgradienten (für Na+) und der negativen Ladung des Cytosols (Inneres) —> dringen Na+ Ionen durch diese Kanäle ein

• durch Einstrom von Na+ —> Zellmembran wird depolarisiert (also innere Oberfläche der Membran positiver)

  • Rezeptorpotenzial = reizbedingte Änderung des Vm einer Sinneszelle

• Überschreitung eines bestimmten Schwellenwerts, damit AP eintritt

• AP ausgelöst

• Wahrnehmung des Schmerzes

Entsteht in verschiedenen Neuronen unterschiedlich

= bestimmtes Membranpotenzial, bei dem genügend Na+ Kanäle offen sind, sodass Membran permeabler für Na+ als für K+

= Grenze zwischen “Alles” und “Nichts”

• AP folgen Alles-oder-Nichts-Prinzip

• neuronale Antwort abhängig von Depolarisation:

Wenn ein Neuron einer zunehmenden Depolarisation ausgesetzt ist, gibt es so lange keine Reaktion, bis der Schwellenwert überschritten wird, dann kommt es ganz plötzlich zu einem AP (= “Alles”)

• Strom depolarisiert Membran nicht bis zum Schwellenwert —> kein AP

• Strom depolarisiert Membran über Schwellenwert hinaus —> AP ausgelöst

wenn man z.B. über Mikroelektrode einem Neuron ständig depolarisierenden Strom zuführt, löst das mehrere AP´s aus

—> Wie viele AP´s erzeugt werden, ist abhängig von Stärke des kontinuierlich depolarisierenden Stroms!

= Frequenz der AP´s

—> Entladungsrate der AP nimmt mit depolarisierendem Strom zu, Frequenz ist allerdings begrenzt

Sobald ein AP ausgelöst wurde, ist es ca. 1 ms nicht möglich, noch eins auszulösen

• Na+ Kanäle inaktiviert, wenn Membran stark depolarisiert wird

• Nicht wieder aktivierbar & neues AP nicht wieder auslösbar, so lange Membran nicht negativ genug (-65mV), um Kanäle zu deinaktivieren

nach der absoluten Refraktärzeit kann es für mehrere ms relativ schwierig sein, noch ein AP auszulösen

• Membran so lange hyperpolarisiert, bis sich K+-Kanäle schließen

• Depolarisierende Stromstärke muss stärker als normaler Wert sein, um Membran über Schwellenwert zu bringen (also um noch ein AP auszulösen)

  
  

durch Depolarisation der Membran über einen Schwellenwert hinaus ausgelöst

—> in Neuronen geschieht das durch die Öffnung von Ionenkanälen, die Na+ durch die Membran lassen

damals konnte man neuronale Entladungen künstlich kontrollieren (durch Mikroelektrode wurde elektrischer Strom injiziert)

= ersetzt die Mikroelektroden-Technik

• Fremdes Gen in Neuronen eingeführt

• Neuronen exprimieren Ionenkanäle in Membran, die auf gelbes Licht reagieren und sich öffnen

= auf Licht reagierendes Photopigment (= Lichtenergie von Proteinen) der Grünalge

• Gen in Säugerzelle eingeschleust

• Codiert für lichtintensiven Kationenkanal, der für Na+ und Ca2+ permeabel ist

• Kanal öffnet sich in Reaktion auf blaues Licht

• Einstrom von Kationen in Zelle

• Depolarisierung über Schwelle

• AP ausgelöst

• Forscher in den USA zeigten:

  Verhalten von Ratten & Mäusen extrem beeinflussbar, wenn Neuronen, in die das Gen eingeschleust war, mit blauem Licht bestrahlt

• Entdeckung des Proteins Harllorhodopsin

  • stammt ursprünglich von Bakterien

  • hemmt Aktivität von Neuronen in Antwort auf gelbes Licht

= erhebliche Umverteilung der elektrischen Ladung durch die Membran

• Einstrom von Na+ —> Depolarisation der Zelle während AP

• Ausstrom von K+ —> Repolarisation der Zelle

• besitzt Natrium-Kanäle, Kalium-Kanäle und Natrium-Kalium-Pumpen

• Pumpen ständig aktiv, um Konzentrationsgradienten aufzubauen/aufrechtzuerhalten

• Na+ außen 10x so viel wie innen (ENa = 62mV)

• K+ innen 20x so viel wie außen (EK = -80mV)

• Beide (Na+ & K+) Kanäle geschlossen und Vm = 0mV

• jetzt öffnen sich Kaliumkanäle

• K+ fließt entlang des Konzentrationsgradienten aus Zelle

• Zellinnere wird negativ und Vm = EK = -80mV

• Nettobewegung von K+ Ionen durch Membran ist elektrischer Strom (IK)

• Anzahl geöffneter K+ Kanäle = proportional zur elektrischen Leitfähigkeit (gK)

• IK fließt solange Vm ≠ EK (Triebkraft hoch, wenn ≠ —> wenn =, kein Strom, weil keine Triebkraft)

• Elektrochemische Triebkraft für K+ = Differenz zwischen dem tatsächlichen Membranpotenzial und dem Gleichgewichtspotenzial (Vm – EK)

es gibt also einfachen Zusammenhang zwischen elektrochemischer Triebkraft, Ionenleitfähigkeit und Stärke des elektrischen Stroms:

Iion = gion (Vm – Eion) —> bzw. hier: IK = gK (Vm – EK)

• Na+ Kanäle geschlossen

• Membran für K+ permeabel —> Vm = EK = -80mV

• ENa = 62mV (theoretisch starke Triebkraft, da starke Differenz zu Vm: Vm – ENa = -80mV – 62mV = -142mV)

• Membran aber nicht permeabel für Na+ (gNa = 0)

• Kein Natriumstrom

• Natriumkanäle geöffnet

• Leitfähigkeit gNa wird hoch

• Negatives Vm = starke Triebkraft für Na+

• Natriumstrom INa fließt in Zelle

• Durchlässigkeit für Na+ stärker als K+

• Einstrom von Na+ depolarisiert Neuron bis Vm ≈ ENa = 62mV

= Natriumstrom nach Innen

• Natriumkanäle geschlossen (inaktiviert)

• Kaliumkanäle bleiben offen

• Positives Vm = hohe Triebkraft für K+

• Permeabilität von K+ wieder dominant —> gK >> gNa

• K+ strömt aus Zelle bis Vm = EK = -80mV

= Kaliumstrom nach Außen

• Kaliumkanäle wieder geschlossen

• Ruhezustand langsam wieder hergestellt

• Vm = -65mV

• Membran bis zum Erreichen des Schwellenwerts depolarisiert

• Vorrübergehende Zunahme von gNa (im Aufstrich)

• Na+ kann dadurch in Zelle eindringen und depolarisiert Neuron

• Kurze Dauer des AP = kurze Dauer des Anstiegs von gNa

• Vorrübergehende Zunahme von gK (in fallender Phase)

• Wiederherstellung des negativen Membranpotenzials

= Experimentelle Prüfung vom theoretischen AP

• ermöglicht zielgerichtetes Abklemmen des Membranpotenzials

• misst Ionenströme, die durch Membran fließen (misst also Leitfähigkeit von Na+ und K+ während AP)

• lässt Rückschlüsse machen auf Veränderungen der Membranleitfähigkeit bei verschiedenen Vm

• Bewiesen mit Spannungsklemme:

  • Aufstrich: Anstieg an gNa und somit Einstrom von Na+

  • Fallende Phase: Anstieg an gK und somit Ausstrom von K+

• Hypothese zur Erklärung der vorübergehenden Veränderung von gNa:

  • Natriumschleusen durch Depolarisation über Schwelle geöffnet

  • Schleusen durch Erreichen eines positiven Membranpotenzials geschlossen

  • Schleusen reaktiviert, wenn Vm wieder negativ

• Hypothese später experimentell bestätigt

• 1963 Nobelpreis

= Protein, dass an der Membran eine Pore bildet

• Pore für Na+ Ionen hochselektiv

• Pore öffnet/schließt sich bei Veränderung des Membranpotenzials

• aufgebaut aus 1 einzigen langen Polypeptid

• besitzt 4 getrennte Domänen (I-IV)

  • jede Domäne besteht aus 6 Alpha-Helices, die Membran durchspannen (S1-S6)

  • Domänen eng zusammengelagert und bilden Pore

• Pore bei negativen Ruhemembranpotenzial (also Ruhepotenzial) geschlossen, bei Depolarisation geöffnet

• Besitzt wie Kaliumkanal Porenschleifen

• bilden zusammen Selektivitätsfilter

• ist für Na+ 12x permeabler als für K+

• fast alle Wassermoleküle werden am Weg durch Kanal abgestreift

• restlichen Wassermoleküle begleiten Ion & notwendig, damit Ion durch Selektivitätsfilter gelangen kann

• Ionen-Wasser-Komplex dient dazu, Na+ zu selektieren und K+ auszuschließen

• durch Veränderung der Spannung über Membran (Vm)

• Spannungssensor liegt im Abschnitt S4 des Moleküls

• hier liegen positiv geladene Aminosäurereste in regelmäßigen Abständen auf Helixwindungen verteilt

• so kann der gesamte Abschnitt in Bewegung gesetzt werden

• Depolarisation verdreht S4 —> somit öffnet sich Schleuse

= Methode, mit der man die Ströme untersuchen kann, die durch einzelne Ionenkanäle fließen

• Spitze einer Glaselektrode an Zellmembran aufgesetzt

• dadurch entsteht sehr kleiner Membranfleck (Patch), der elektrisch vom Außenmedium abgedichtet wird

• Membranfleck kann dann von Neuron entfernt werden

• quer zu Membran konstante Spannung angelegt

• dadurch Ionenströme einzelner Kanäle messbar

1. Kanäle öffnen sich erst, wenn Schwellenwert erreicht wird

2. Kanäle öffnen sich mit geringer Verzögerung (öffnen sich also schnell)

3. bleiben ca. 1ms offen und schließen dann wieder (= Inaktivierung)

4. erst wenn Membranpotenzial wieder negativ (nahe Schwellenwert; -65mV), können sie sich durch Depolarisation wieder öffnen (davor nicht) —> absolute Refraktärzeit

5. ein einzelner Kanal kann kein AP auslösen —> nur gemeinsame Aktivierung der Kanäle macht AP möglich

—> dadurch lassen sich viele Eigenschaften des AP´s erklären

• im menschlichen Genom gibt es mehrere verschiedene Gene für Natriumkanäle

• unterschiedliche Expressionsmuster dieser Gene führen zu unterschiedlichen AP´s

z.B. genetische Epilepsie mit Fieberkrämpfen

= Verbreitete Erbkrankheit bei Kleinkindern (3 Monate – 5 Jahre)

= Ionenkanalerkrankung

• Ursache:

  • Mutationen einzelner Aminosäuren in extrazellulären Bereichen eines Natriumkanals

  • Veränderungen der Struktur und Funktion von Ionenkanälen

• führt zu verlangsamter Inaktivierung der Natriumkanäle

• AP dadurch verlängert

• Epileptische Anfälle entstehen durch explosionsartige, hoch synchrone elektrische Hirnaktivität

• Anfälle = Reaktion auf Fieber (Warum ist unklar)

• stören/unterbrechen Kanalfunktion, indem sie an verschiedene Stellen des Proteins binden

• Giftforschung half bei der Aufklärung der 3D-Struktur der Natriumkanäle

• einsetzbar als experimentelle Hilfsmittel (um Auswirkungen von Blockaden der AP´s zu untersuchen)

= natürliches Toxin (in Ovarien des Kugelfisches)

• stört Funktion des spannungsabhängigen Natriumkanals

• bindet fest an bestimmte Teile außerhalb des Natriumkanals

• blockiert so die Na+ durchlässige Pore und somit alle natriumabhängige AP

• Tödlich bei Verzehr!

= natürliches Toxin —> von Dinoflagellaten (= Meeresprotozoen) produziert

• blockiert spannungsabhängige Natriumkanäle

In Haut eines Pfeilgiftfrosches

• Kanäle öffnen sich bei negativeren Potenzialen als sonst

• sind länger offen

• in AP codierte Info geht verloren

—> ähnlich bei Lilien (Veratridin) und Hahnenfuß (Aconitin)

Hodgkin & Huxley zeigten:

• Fallende Phase des AP nur teils erklärbar durch Inaktivierung von gNa

• sondern auch durch vorrübergehende Zunahme von gK

  • beschleunigt Wiederherstellung des negativen Vm nach AP

  • öffnen sich 1 ms nach Depolarisation der Membran (≠ Natriumkanal: direkt danach)

  • daher Leitfähigkeit bezeichnet als verzögerter Gleichrichter

    
    

• es gibt verschiedene Arten (haben ähnliche Struktur)        

  • meisten öffnen sich, wenn Membran depolarisiert (durch Kaliumausstrom aus Zelle weitere Depolarisation verhindert)

  • Kanalproteine haben 4 Polypeptid-Untereinheiten, die sich zusammenlagern und Pore bilden

  • reagieren empfindlich auf Veränderungen des elektrischen Feldes quer zur Membran

• entlang Axon weitergeleitet (um Info von einer Stelle im NS zur anderen zu bringen)

• Axonmembran über ganze Länge erregbar (Impuls bleibt also gleich)

• Prozess ähnelt Zündschnur am Feuerwerkskörper

1. Axonale Membran über Schwellenwert depolarisiert (Zündschnur fängt an zu brennen)

2. Na+ Kanäle öffnen sich

3. AP ausgelöst

4. Einstrom positiv geladener Ionen

5. depolarisiert angrenzenden Abschnitt über Schwellenwert (erhitzt Feuerwerkskörper)

6. nächstes AP ausgelöst usw.

7. solange bis Axonterminale erreicht

8. dadurch synaptische Übertragung ausgelöst

Immer nur in eine Richtung, da Membran hinter AP in Refraktärphase ist

• AP kann an beiden Enden des Axons entstehen

• Axonmembran über ganze Länge erregbar —> Impuls setzt sich unvermindert fort

= Weiterleitung des AP von Soma bis Axonterminal

= Weiterleitung des AP von Axonterminal zu Soma

Unterschiedlich, aber typisch 10m/s (räumlich betrachtet: über einen 2cm langen Abschnitt des Axons)

• 1 AP dauert 2 ms

• je weiter Strom sich bewegt, desto weiter entfernt vom AP wird Membran depolarisiert und desto schneller AP weitergeleitet

• entlang der Innenseite des Axon

  • wenn Axon dick und wenige offene Membranporen

  • (dicker Gartenschlauch und kleine Löcher —> Wasser fleißt hauptsächlich durch Schlauch)

• quer zur Axonmembran nach außen

  • wenn Axon dünn und viele offene Membranporen

  • (enger Gartenschlauch und größe Löcher —> Wasser fleißt hauptsächlich durch Löcher)

1. Axondurchmesser

   • Leitungsgeschwindigkeit nimmt mit Axondurchmesser zu)

   • dünne Axone brauchen stärkere Depolarisation, um Schwellenwert zu erreichen und lassen sich leichter durch Lokalanästhetika blockieren

2. Anzahl an spannungsabhängigen Kanälen

   
   

   —> beeinflussen beide Erregbarkeit des jeweiligen Axons

= Fehlen von Wahrnehmung/Empfindung

= Medikamente, die AP in Axonen vorübergehend blockieren

• Lokal = direkt ins betroffene Gewebe injiziert

• Dünne Axone am empfindlichsten

= erstes Lokalanästhetikum

• von Albert Niemann entdeckt

• hat toxische und andere Nebenwirkungen (betäubt u.a. Zunge)

= Ersatz für Kokain (am häufigsten verwendet)

Verschieden angewendet:

1. Topische Anästhesie (in Gel gelöst & auf Schleimhäute aufgetragen)

2. Infiltrationsanästhesie (direkte Injektion ins Gewebe)

3. Nervenblockade (direkte Injektion in Nerv)

4. Spinalanästhesie (Injektion in Liquor des Rückenmarks) —> zur Betäubung größerer Körperbereiche

• binden an spannungsabhängige Na+ Kanäle (stören Na+ Einfluss)

• verhindern so AP

• Bindungsstelle: S6-Alpha-Helix der Domäne IV des Proteins Lidocain (von außen nicht zugänglich, daher:)

  • Protein muss zuerst Axonmembran durchqueren

  • dann durch offenen Kanal zur Bindungsstelle in der Pore

• Aktive Nerven schneller blockiert

  • Na+ Kanäle sind häufiger geöffnet ==> einfacher Pore zu blockieren

+sie leiten AP´s schneller weiter als dünne Axone

-sie nehmen viel Raum ein

Myelin (Isolierung des Axons)

= elektrische Isolierung um Axon herum

= viele Membranschichten stammend von Gliazellen (Schwann-Zellen im PNS & Oligodendrozellen im ZNS)

• verstärkt Stromfluss im Inneren des Axons (Strom zwischen zwei Schnürringen kann sich über weitere Strecken und schneller ausbreiten)

• erhöht Geschwindigkeit der Erregungsleitung des AP (vgl. umwickeln eines löchrigen Gartenschlauchs mit Dichtungsband)

= Unterbrechungen/Lücken zwischen den Myelinscheiden

• Ionen wandern hier durch Membran und lösen AP aus

• viele spannungsabhägige Na+ Kanäle in Membran der Schnürringe

• Abstand zwischen Schnürringen: 0.2-2mm (abhängig von Axongröße: dickere Axone —> größere Abstände)

(lat. „springen“)

= Ausbreitung eines AP entlang eines myelinisierten Axons

• in myelinisierten Axonen springen AP´s von Schnürring zu Schnürring

• beschleunigt Weiterleitung der AP´s

= demyelinisierende, unberechenbare Krankheit (viele Besserungen und Rückfälle)

• greift Myelinschicht von Axonen im Hirn, Rückenmark und Sehnerven an

• Sclerosis = Verhärtung (Läsionen an Axonbündeln)

• Multipel = betrifft viele Stellen im NS gleichzeitig

• Schwächegefühl

• Koordinationsstörungen

• Einschränkungen des Sehvermögens und Sprache

• Verlangsamung der Reaktionszeit, da saltatorische Erregungsleitung gestört

Heute durch non-invasive Verfahren wie MRT sichtbar

• einfache Tests:

  • Auge mit schwarzweiß Karomuster reizen

  • Zeit messen bis elektrisches Signal an Kopfhaut über Sehzentrum

  • MS-Patienten deutlich langsamer

= andere demyelinisierende Krankheit

• greift Myelin in peripheren Nerven von Muskeln & Haut an

• = Ergebnis einer abnormen Immunreaktion auf das körpereigene Myelin

• Verlangsamung der Reaktionszeit, da saltatorische Erregungsleitung gestört

aufgrund Verlangsamung oder aufgrund kompletter Störung der Weiterleitung von AP

• Elektrische Stimulation der peripheren Nerven durch Haut

• Messung der Reaktionszeit (z.B. an Muskelzucken)

• Membrane von Dendriten und Zellkörpern erzeugen grundsätzlich keine natriumabhängigen AP, da sie nur wenige Na+ Kanäle besitzen

• Membran muss also die spezialisierten Proteinmolekülen enthalten, um AP auszulösen (diese Membran kommt meist bei Axonen vor)

  
  

= Axonhügel (aus Soma geht Axon hervor)

• so bezeichnet, da das die Membranregion, in der AP´s normalerweise generiert werden