Vorlesung Neurophysiologie

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1 Vorlesung Neurophysiologie Detlev Schild Abt. Neurophysiologie und zelluläre Biophysik

2 Vorlesung Neurophysiologie Detlev Schild Abt. Neurophysiologie und zelluläre Biophysik

3 Vorlesung Neurophysiologie Detlev Schild Abt. Neurophysiologie und zelluläre Biophysik

4 Vorlesung Neurophysiologie Detlev Schild Abt. Neurophysiologie und zelluläre Biophysik 2 files: Physiologie - Membranen und Transportprozesse.pdf MembranPhysiologieVorlesung_Inhalt.pdf

5 Beim Menschen: Neurone 20 bis 50 mal mehr Gliazellen!

6 Camillo Golgi (* 1843, 1926) entwickelte eine Methode zum Anfärben einzelner Neurone und Zellstrukturen (Golgi-Färbung) Ramon y Cajal (* 1852, 1934)

7 Funktionelle Bereiche eines Neurons

8 Neurone Gliazellen z.b. Astroglia, Mikroglia, Oligodendrocyten, Schwannsche Zellen, Müllerzellen (Retina), Stützzellen (olfaktorisches Epithel) etc. Kompartimente eines Neurons: Dentriten - Soma - Axon ( input output)

9 12 Eines von 10 Neuronen

10 3 4 Neurone reden über ca Synapsen miteinander

11 Spezielle neuronaler Fortsätze: Dornfortsätze (spines)

12 Spines: morphologische Korrelate des Gedächtnisses

13 input output

14 Sinnes systeme Muskeln Drüsen

15 Bewußtsein Gedächtnis Emotion Ratio Sinnes systeme Muskeln Drüsen

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22 Kapitel M1: Einführung. Phospholipide und Membranen: Mizellen, Bilipidschicht, Diffusion: 1. Ficksches Gesetz; Permeabilität; Leitwert und Kapazität Kapitel M2: Transportproteine: K+/Na+ - ATPase, Ca2+ - ATPasen, Gradienten-abhängige Transportproteine Kapitel M3: Ströme über Membranen: Ionenkanäle, Transportproteine, gap junctions; Ionenkanäle: Struktur, Spannungsabhängigkeit, Selektivität und Permeabilität; spannungs- und ligandengesteuete Ionenkanäle Kapitel M4: Physiologische Ionenverteilung: Donnan Gleichgewicht, Nernstgleichung an Plasmamembran, Zusammenspiel verschiedener spannungsabhängiger Leitwerte in Zellmembranen, Goldmanngleichung Kapitel M5: Elektrische Signalverarbeitung an Zellen: Ionotrope und metabotrope Rezeptoren. Inhibition, Elektrotonus. Kapitel M6: Aktionspotential (AP): Entstehung, beteiligte Leitwerte, AP: Refraktärzeiten, pos. Rückkopplung, Ca2+ - Wirkung auf Leitwerte (Tetanie, etc), versch. Formen von APs an Muskel und Herz, APs: modulierende Einflüsse, Kodierung der AP-rate Kapitel M7: Fortleitung von APs auf nichtmyelinisierten und myelinisierten Nervenfasern. Summenaktionspotential und seine Messung. Wirkung von APs an Axonterminalen

23 Plasmamembran aus Phospholipiden

24 Plasmamembranen besitzen als Grundstruktur eine Lipiddoppelschicht Phospholipide: lipophile Fettsäuren, hydrophile Köpfe

25 PM: Transportproteine, Ionenkanäle und gap junctions

26 Viele Pharmaka wirken an Membranen Tollkirsche = Atropa belladonna (Parasympatholytikum)

27 Fingerhut = Digitalis purpurea (Herzglykosid)

28 Venom: Mixtur von Toxinen ( d.h. tierisch produzierten Giften) Schlangenvenome (u.a.: Blocker von Ionenkänalen)

29 Skorpiongift (u.a.: Blocker von Ionenkänalen)

30 Tetrodotoxin (TTX) hemmt spannungsabhängige Natriumkanäle Natürliche Gifte als Werkzeuge der Kanalforschung

31 Zusammenfassung 1. Charakteristische Eigenschaften von Neuronen: - Integration von tausenden von Eingangssignalen - Leitung von elektrischen Pulsen teils über weite Entfernungen und mit hoher Geschwindigkeit. 2. Grundstruktur der Zellmembranen: Phospholipid Doppelschicht ist praktisch undurchlässig für Ionen 3. Sehr viele Toxine, Venome und Pharmaka wirken an Membranen

32 Kapitel M1: Einführung. Phospholipide und Membranen: Mizellen, Bilipidschicht, Diffusion: 1. Ficksches Gesetz; Permeabilität; Leitwert und Kapazität; Membranwirkung von Drogen Kapitel M2: Transportproteine: K+/Na+ - ATPase, Ca2+ - ATPasen, Gradienten-abhängige Transportproteine Kapitel M3: Ströme über Membranen: Ionenkanäle, Transportproteine, gap junctions; Ionenkanäle: Struktur, Spannungsabhängigkeit, Selektivität und Permeabilität; spannungs- und ligandengesteuete Ionenkanäle Kapitel M4: Physiologische Ionenverteilung: Donnan Gleichgewicht, Nernstgleichung an Plasmamembran, Zusammenspiel verschiedener spannungsabhängiger Leitwerte in Zellmembranen, Goldmanngleichung Kapitel M5: Elektrische Signalverarbeitung an Zellen: Ionotrope und metabotrope Rezeptoren. Inhibition, Elektrotonus. Kapitel M6: Aktionspotential (AP): Entstehung, beteiligte Leitwerte, AP: Refraktärzeiten, pos. Rückkopplung, Ca2+ - Wirkung auf Leitwerte (Tetanie, etc), versch. Formen von APs an Muskel und Herz, APs: modulierende Einflüsse, Kodierung der AP-rate Kapitel M7: Fortleitung von APs auf nichtmyelinisierten und myelinisierten Nervenfasern. Summenaktionspotential und seine Messung. Wirkung von APs an Axonterminalen

33 Ionenverteilung beim Menschen: Ion Innen [mm] Aussen [mm] Na K+ Ca ,5-5 (geb.: 1-2) Cl Nichtpermeable Anionen A- sorgen für - eine feste, nicht permeable negative Ladung in der Zelle und - eine negative Spannung von ca. 15 mv (Donnan-Spannung)

34 Ströme durch biologische Membranen durch a) Pumpen - ATP getrieben: langsam, aber stetig: ca. 150 Ionen / s primär aktiver Transport - Na/K ATPase - PM- CaATPase - Ionengradient getrieben: sekundär aktiver Transport - Aminosäure / Na - Symport - Glucose / Na - Symport schnell und meist kurz: b) Poren/Kanäle einige Kaliumkanäle sind immer offen! die meisten Kanäle sind meistens zu! c) gap junctions Ionen / ms

35 Na/K-ATPase: 3 Na+ 2 K+ (kostet 1 ATP)

36 Sekundär aktiver Transport: Anti und Symporter

37 Effekte der primär und sekundär aktiven Transporter an der Plasmamembran: Unsymmetrischen Ionenverteilung 1. Na+/K+ - ATPase 2. Ca Na+/Ca2+ - [Na+]o >> [Na+]i [Ca2+]o / [Ca2+]i und [K+]i >> [K+]o ATPase Antiport und [Ca2+]o 3 mm; [Ca2+]i 50 nm

38 Ionenverteilung beim Menschen: Ion Innen [mm] Aussen [mm] Na K+ Ca ,5-5 (geb.: 1-2) Cl Nichtpermeable Anionen A- sorgen für - eine feste, nicht permeable negative Ladung in der Zelle und - eine negative Spannung von ca. 15 mv (Donnan-Spannung)