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1 Die Liste der Teilnehmer der beiden Kurse für Studenten der Bioinformatik finden Sie auf unserer web site: winter-0506/tierphysiologie/ Das erste Seminar für die Teilnehmer am Kurs Montag Vormittag Beginnt heute um 14:30 im Seminarraum der Neurobiologie Königin Luisestr. 28/30 Die Klausur für die Biologen findet aller Voraussicht nach am statt, für die Bioinformatiker voraussichtlich am Die Studenten Thomas Engleitner und um Yvonne Mayer melden sich bitte nach der Vorlesung bei mir hier

2 Gleichgewichtspotential Berechnung über die von Walter Nernst (1889) aufgestellte Gleichung: Nernst-Gleichung E ion = RT / zf x ln [Ion + ] a / [Ion + ] i R = allgemeine Gaskonstante, 8,314 JK -1 mol -1 T = absolute Temperatur in o K z = Wertigkeit des Ions (1 bei einwertigen Ionen, 2 bei Metallionen wie Ca 2+ ) F = Faraday-konstante, Cmol -1 ln = Logarithmus naturalis [Ion] = Konzentration des Ions außen (a oder o(ut)) oder innen (i) Bei Zusammenfassung dieser Konstanten und einer Raumtemperatur von 20 o C sowie der Ersetzung des natürlichen durch den dekadischen Logarithmus ergibt sich folgende Vereinfachung: E ion = 58 mv x log [Ion + ] a / [Ion + ] i

3 Beispiel: K + - Gleichgewichtspotenzial Für eine Kaliumionenkonzentration, [K] i innen von 0,1 M K +, und [K] o außen von 0,01M K + würde gelten E K = 58 mv x log ([K + ] a ) / ([K + ] i ) = 58 mv x log 0,01 / 0,1 = - 58 mv Das Kalium-Gleichgewichtspotenzial (E K ) zeigt an, bei welchem Spannungswert die Diffusionsarbeit (Konzentrationsgradient) der dagegen gerichteten elektrischen Arbeit entspricht (d.h. beide Kräfte sind gleich groß).

4 Membranpotential V m in mv Gleichgewichtspotenziale der wichtigsten Ionen Na + E Na = 56 mv Cl - K + E Cl = -61 mv E K = -93 mv Aus der Nernst-Gleichung berechnet: [K + ]a / [K + ]i = 10 mm / 400 mm E K = -93 mv [Na + ]a / [Na + ]i = 460 mm / 50 mm E Na = 56 mv [Cl - ]i / [Cl - ]a = 40 mm / 450 mm E Cl = -61 mv Zeit, t

5 * Die ab einem bestimmten Membranpotenzial plötzlich auftretenden (in den positiven Bereich) überschießenden Spannungsänderungen, die nur für sehr kurze Zeit (etwa 1 ms) andauern (Aktionspotenzial, Nervenimpuls, Laborjargon: Spike), bevor die Membran wieder auf die Ausgangsspannung (Ruhepotenzial) zurückfällt.

6 Neuronale Aktivität eines Säugerneurons - intrazelluläre Ableitung -

7 Das Hodgkin-Huxley Modell der ionalen Grundlagen von Aktionspotentialen Alan Lloyd Hodgkin Andrew Fielding Huxley The squid (Loligo)

8 Loligo (Tintenfisch) Riesenxone tintenfisch/

9 Welche Ströme fließen während des Aktionspotenzials? Die Amplitude eines Aktionspotentials hängt von der extrazellulären Na + Konzentration ab

10 Die elektromotorische Kraft (EMK) bestimmt die Richtung des Ionenstromes +55 ENa 0 E = 58 log Ion [Ion] [Ion] a i -75 EMK K Ruhepotential EK Zeit

11 Wie werden die Ionenströme bestimmt? (Ionenströme hängen von der zu jedem Zeitpunkt herrschenden elektromotorischen Kraft und der Leitfähigkeit für dieses Ion zu dem Zeitpunkt ab). Es gilt zu jedem Zeitpunkt das Ohm sche Gesetz: U = R. I (1) Zur Bestimmung der Ionenströme in Abhängigkeit von der Membranspannung wird die Spannungsklemme (voltage clamp) eingesetzt: Dazu wird jener Strom bestimmt der notwendig ist, um eine bestimmte (vorgewählte, geklemmte ) Spannung aufrecht zu erhalten

12 Welche Ströme fließen während eines Aktionspotenzials? 60 EMK Na E Na [mv] 0 Membranpotential Spannungsverlauf während eines APs -80 EMK K E K 1000 Kalium A/cm 2 ] Membranströme Natrium Stromfluß während eines APs: Gesamtstrom = Natriumeinstrom + Kaliumausstrom

13 außen innen g K Ströme während des Aktionspotentials Ruhestrom: gleich starker Ein- und Ausstrom von K+ g Na Depolarisation: Na+ Ein- Strom g K Repolarisation: verzögerter K+ Ausstrom g K Hyperpolarisation: anhaltend stärkere K+ Leitfähigkeit

14 Berechnung der Ströme während des Aktionspotenzials Stromfluss gehorcht dem Ohm schen Gesetz: U = I. R U = Spannung in V(Volt) I = Stromstärke in A (Ampere) R = Widerstand in Ohm Leitfähigkeit: g = 1/R also: I = g U ( bei hohem Widerstand ist die Leitfähigkeit also gering, und umgekehrt, und der Strom hängt vom Produkt von Leitfähigkeit und Spannung ab). Welche Ströme fließen zu welchem Zeitpunkt? Dies hängt von der elektromotorischen Kraft und der Leitfähigkeit zu dem Zeitpunkt ab. Für die Elektromotorische Kraft eines Ions (EMK Ion ) gilt: EMK Ion = (V M - E ion ) V M = Membranpotenzial E Ion = Gleichgewichtspotenzial des Ions der Strom ist dann: I ion = g ion (V M E ion ) (wenn V M dem E Ion entspricht besteht keine EMK!, dann fließt also kein Stom))

15 Durch welche Ionenkanäle bewegen sich die Ionenströme? Kanalgifte Den K + Kanal kann man mit Tetra-äthylammonium oder mit 3,4 Amino-Pyridin blockieren. Es gibt eine Fülle von natürlichen Kanalgiften Der Fugu (Kugelfisch): Tetrodotoxin (TTX): blockiert Na + Kanäle Lokalanästethika wie Lidocain oder Novocain erzeugen einen Block der Leitung von Aktionspotenzialen

16 Spannungsabhängiges Öffnen des K+ Kanals Der Kaliumkanal ähnelt im geschlossenen Zustand einer Windmühle. Er ist hier in der Aufsicht entlang der Pore in der Mitte (roter Kreis) dargestellt. Die Flügel (hellblau) mit ihren positiv geladenen Arginin-Resten (rot) bewegen sich beim Anlegen einer Spannung. Beim Anlegen einer Spannung an die Zellmembran schwenken die Flügel des Kaliumkanals mit ihren positiven Ladungen (rote Kreuze) nach außen und öffnen so die Pore (oben). Die alte Vorstellung von sich verschiebenden Bolzen (unten) hat sich als falsch erwiesen

17 Die direkte Messung der Ionenströme durch einzelne Kanalproteine Die Patch Clamp Technik pipette tip suction "giga seal" pull CELL-ATTACHED suction WHOLE-CELL pull pull INSIDE-OUT OUTSIDE-OUT

18 Die Patch Clamp Technik - Einzelkanalmessungen

19 Fortleitung der Erregung: die aktiven und passiven Eigenschaften der Membran

20 Für die Ionenflüsse während dem Aktionspotential Sind spannungsabhängige Ionenkanale verantwortlich: - der spannungsabhängige Na + -Kanal - und der spannungsabhängige K + -Kanal

21 Die drei spannungsabhängigen Zustände de Na+ Kanals m Tore h Tor Hodgkin-Huxley Modell der drei Zustände des Na+ Kanals Refraktärperiode der Membran

22 Zusammenfassung Aktionspotenzial Während eines Aktionspotenzials kommt es also zu folgenden Ionenflüssen (Strömen): * Öffnen eines spannungsabhängigen Natriumkanals (beim Schwellenwert hohe Wahrscheinlichkeit des Öffnens) und dadurch große Leitfähigkeit für Natriumionen Dadurch wird das Natriumgleichgewichtpotenzial (E Na ) für das Membranpotenzial bestimmend * Inaktivierung (Schließen) der spannungsabhängigen Natriumkanäle (dadurch Leitfähigkeit für Natriumionen wieder sehr gering) und Anstieg der Kaliumleitfähigkeit (ein langsamer Prozess). Dadurch wird wieder das Kalium-Gleichgewichtspotenzial (E K ) für die Zelle bestimmend EMK Zeit E Na E K

23 im einzelnen: *Aktionspotenziale treten erst auf, wenn das Membranpotenzial einen bestimmten Schwellenwert (immer positiver als das Ruhepotenzial: Schwellenpotential) überschritten hat. * Für einen kurzen Moment polarisiert das Membranpotzenzial um, das heisst das Innere wird positiv * Die Spitze des Aktionspotenzials liegt bei Spannungswerten etwas unterhalb des Natrium-Gleichgewichtspotenzials (E Na ) * Danach repolarisiert das Membranpotenzial sofort, nimmt kurzfristig eine negativere Membranspannung als das Ruhepotential und geht dann erst auf den Wert des Ruhepotenzials. * Nach einem Aktionspotential kann nicht sofort ein neues ausgelöst werden (Absolute Refraktärperiode). * Nach Beendigung dieser absoluten Refraktärperiode können zwar wieder Aktionspotenziale ausgelöst werden, ihre Amplitude ist aber geringer (das heisst die Spitze des AP liegt bei geringeren Spannungswerten) (relative Refraktärperiode)

24 Fortleitung von Aktionspotenzialen Aktionspotenziale werden "aktiv" fortgeleitet - schnell - ohne Abschwächung - ohne "Informationsverlust" - in eine Richtung

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26 Die passiven Eigenschaften von Neuronen Elektrisches Ersatzschaltbild der Zellmembran: Stromquelle (Aktionspotential) innen außen elektrotonischer Potenzialabfall hoher R m Spannung Strom niedriger R m Zeitabhängigkeit der Membranspannung

27 Die Richtung ist eindeutig: Refraktärzeit

28 Axon eines Neurons außerhalb des zentralen Nervensystems Saltatorische Erregungsleitung Ranvierscher Schnürring Umgeben von Membranen der Schwann schen Zelle (Myelinscheide)

29 Fortleitung von Aktionpotenzialen: *Strömchenthoerie der Fortleitung: Jedes AP schiebt eine Art von unterschwelliger Erregungswelle vor sich her, die räumlich entfernte Axonbezirke depolarisiert. Diese Depolarisation nimmt mit der Entfernung exponentiell ab. * Passive, elektrotonische Eigenschaften Dies liegt an den passiven oder elektrotonischen Eigenschaften der Membran: Dies bedeutet, dass eine Erregung an einer Stelle im Axon sich bereits auf andere weiter entfernte Bezirke auswirkt: Vorteil: Die elektrotonische Ausbreitung geschieht sehr schnell Nachteil: Die Ausbreitung geschieht mit Verlust an Amplitude (je weiter entfernt vom Ort der ursprünglichen Erregung, desto kleiner die Amplitude!) In den allermeisten Dendriten und Somata breitet sich die Erregung zum Axonhügel Passiv aus, also mit Dekrement. Erst am Axonhügel entstehen Aktionpotenziale, Die dann von dort wegen den Refraktäreigenschaften der Membran (absolute und relative Refraktärperiode) nur in eine Richtung fortgeleitet werden. Bei Wirbeltieren: Saltatorische Erregungsleitung: Aktionspotenziale entstehen nur im Ranvier schen Schnürring, in den dazwischenliegenden Abschnitten der Myelinhülle geschieht die Fortleitung passiv (d.h. sehr schnell!).

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