Das Ruhemembran-Potenzial RMP

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1 Erregbarkeit der Axon Das Ruhemembran-Potenzial RMP - + Nervenzellen sind von einer elektrisch isolierenden Zellwand umgeben. Dadurch werden Intrazellularraum und Extrazellularraum voneinander getrennt. Elektroneutralität der einzelnen Räume Innerhalb des jeweiligen Raumes herrscht elektrische Neutralität - d.h. es sind genau soviele Anionen vorhanden wie Kationen. Membranpotenzial Bei erregbaren Zellen - Nerven, Muskeln, Sinneszellen - besteht zwischen Zellinnerem und Extrazellularraum eine elektrische Potenzialdifferenz - eine Spannung. Diese Spannung tritt direkt an der Zellmembran auf, weshalb sie auch Membranpotenzial genannt wird. Ruhemembranpotenzial - RMP Ohne besondere Einflüsse bleibt das Membranpotenzial über längere Zeit konstant. In einem solchen Ruhezustand bezeichnet man das Membranpotenzial als Ruhepotenzial. Es ist bei Nerven und Muskeln immer negativ - im Zellinneren befinden sich mehr negative Anionen als im Extrazellularraum

2 Erregbarkeit der Axon Entstehung des Membranpotenzials Das negative Membranpotenzial entsteht durch eine größere Anzahl negativer Anionen im Zellinneren, die positive Kationen an der Membran festhalten. Hodgkin-Huxley-Modell 1963 erhielten Alan Hodgkin und Andrew Huxlex zusammen mit Sir John Eccles den Nobelpreis für Medizin. Sie hatten ein Modell entwickelt, das die Entstehung eines Aktionspotenzial durch das Wechselspiel verschiedener Ionenkanäle erklärt. Am gleichen Modell lässt sich auch das RMP erklären. Die Grundlage ist die Verwenung es Kondensators für die Zellmembran. Ionenverteilung an der Membran Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplatten, die elektrische Ladungen speichern können und einer isolierenden Zwischenschicht. Soll dieser Kondensator auf ein Ruhepotenzial von -75mV eingestellt werden und wendet man den Maßstab einer Zelle an - Abstand der Metallplatten 6nm, Fläche 1µm x 1/1µm - so sind die Metallplatten jeweils nur mit 6 Anionen innen, bzw. 6 Kationen außen besetzt. Ionen im ersten Mikrometer Raum Im ersten Mikrometer hinter der Zellwand finden sich bereits 22. Ionen je innen und außen. Das Membranpotential beruht also auf sehr kleinen Ladungsunterschieden.

3 Erregbarkeit der Axon Entstehung des Membranpotenzials Konzentrationsverteilung der Ionen Allgemein ist in Nerven- und Muskelzellen die intrazelluläre Kalium-Konzentration 2-1 mal höher als extrazellulär die intrazelluläre Chlorid-Konzentration 2-1 mal niedriger als extrazellulär die intrazelluläre Natrium-Konzentration 5-15 mal niedriger als extrazellulär Permeabilität Wäre die Zellmembran für alle Elektrolyte durchlässig, würden sich die unterschiedlichen Konzentrationen dem ersten thermodynamischen Gesetz folgend per Diffusion bald ausgleichen. Wäre die Zellwand völlig impermeabel, so gäbe es keine möglichen Veranderungen.

4 Erregbarkeit der Axon Entstehung des Membranpotenzials Chlorid Permeabilität Die Zellwand besitzt aber nur spezielle Kanäle, die im Ergebnis zu Kalium genau dieser Ionen-Verteilung führen. Das Ruhepotenzial als Kalium-Diffusionspotenzial Die Zellwand besitzt sogenannte Kalium-Leck-Kanäle, Kanäle Natrium Ligandengesteuert durch die Kalium gut durch die Zellwand diffundieren kann. Kalzium 1. Kraft: Konzentrationsgradient Dem Konzentrationsgradienten folgend treten Kalium-Ionen aus der Zelle aus. Dabei gehen die positiven Ladungen des Kaliums mit nach außen und erhöhen das Membranpotenzial. 2. Kraft: Elektrischer Potenzialunterschied Der elektrische Konzentrationsunterschied zieht das Kalium zusehends mehr in die Zelle zurück. Nernst-Gleichung Formel zur Berechnung des elektrochemischen Gleichgewichtspotenzials. RT extrazelluläre Konzentration E Ion = x lg zf intrazelluläre Konzentration R = Gastkonstante, T = absolute Temperatur, z = Wertigkeit des Ions F = Faraday-Konstante Kalium-Gleichgewichtspotenzial Schließlich pegeln sich Ein- und Ausstrom im Gleichgewicht ein. Das Kalium-Gleichgewichts-Potenzial ist die erste Annäherung an das Membranpotenzial.

5 Erregbarkeit der Axon Entstehung des Membranpotenzials Chlorid-Kanäle Ebenso wie für Kalium besitzt die Zellwand auch offene Chlorid-Kanäle. Chlorid-Gleichgewichtspotenzial Da die Chlorid-Konzentration umgekehrt verteilt ist wie die Kalium- Konzentration und beide umgekehrte Ladungen tragen, ist ihr Gleichgewichtspotenzial nach der Nernst-Gleichung gleich. Bei Veränderungen des Membranpotenzials... passt sich die Chlorid-Verteilung dem neuen Potenzial an, da die Chlorid-Ionen leicht durch ihre offenen Kanäle diffundieren können. Dem Austreten wird durch das hohe Konzentrationsgefälle erschwert. Bedeutung der Peptid-Anionen Da Kalium das Haupt-Kation des Zellinneren ist, muss es die zellinnere Elektroneutralität gewährleisten und das Ladungsgleichgewicht zu den Anionen herstellen. Kanäle Chlorid Kalium Natrium Kalzium Nernst-Gleichung Ligandengesteuert Formel zur Berechnung des elektrochemischen Gleichgewichtspotenzials. RT extrazelluläre Konzentration E Ion = x lg zf intrazelluläre Konzentration R = Gastkonstante, T = absolute Temperatur, z = Wertigkeit des Ions F = Faraday-Konstante Da die Peptide die Zellwand nicht überwinden können... und die Natrium-Konzentration aktiv niedrig gehalten wird, bleibt die hohe Kalium-Konzentration trotz offener Kanäle erhalten.

6 Erregbarkeit der Axon Entstehung des Membranpotenzials Chlorid Natrium-Kanäle Diese Kanäle kommen in drei Zuständen vor: Kalium geschlossen und aktivierbar geschlossen und nicht-aktivierbar offen und aktiviert Kanäle Natrium Der Natrium-Kanal im Ruhezustand Im normalen Ruhezustand der Nervenzelle sind die Kalzium Ligandengesteuert spannungsabhängigen Natrium-Kanäle geschlossen und aktivierbar. Aufgrund des großen Konzentrationsgefälles zwischen Intra- und Extrazellularraum gelangen dennoch einige Natrium- Kationen in die Zelle. Bedeutung für das Ruhe-Membranpotenzial Würde die Zelle nicht aktiv Natrium ausschleusen, würde das RMP weniger negativ werden. Dadurch würden mehr Kalium-Ionen austreten, da die haltende elektrische Kraft geringer würde

7 Erregbarkeit der Axon Entstehung des Membranpotenzials Chlorid intrazellulären Natriums Durch die Aufnahme der Natrium-Kationen würde das RMP weniger Kalium negativ werden. Dadurch würden mehr Kalium-Ionen austreten, da die haltende elektrische Kraft geringer würde. Die Folgen Da das RMP in erster Linie von Kalium abhängt, würde es durch den verstärkten Ausstrom weiter abnehmen. Kanäle Natrium Kalzium Ligandengesteuert Durch das Absinken des RMP auf niedrigere negative Werte kommt es zu einem vermehrten Einstrom von Chlorid-Anionen. Da die Peptid-Anionen nicht austreten können, erhöht sich die!"#$%$ Gesamtmenge an Anionen und damit der osmotische Druck. Dies führt zu einem vermehrten Wassereintritt. Die Zelle schwillt an. Zusätzlich vermindert der Wassereinstrom die intrazelluläre Kalium- Konzentration. Das Konzentrationsgefälle zum Extrazellularraum 98'3-: 9,(;5(*+8<,($ 5+('51+'4*$ &'()*+,-$./,+'1$ steigt an und die austreibende Kraft für Kalium wird noch stärker. Dieser Teufelskreis führt schließlich zum Erliegen der Zellfunktionen. Die Lösung Das eintretende Natrium wird aktiv aus der Zelle herausbefördert und das ausgetrene Kalium wieder zurückgeholt. 78))5+5'()*+,-$ &+/2/3(4$15+$ 6(',(5($

8 Erregbarkeit der Axon Entstehung des Membranpotenzials Chlorid Aktive Gegenmaßnahme In gesunden Geweben findet der eben beschriebene Prozess nicht Kalium statt - bei extremen Sauerstoff- bzw. Energiemangels treten die Erscheinungen aber auf. Die Gegenmaßnahme ist also eine aktive unter Energieverbrauch. Kanäle Natrium Die Natrium-Kalium-Pumpe Die Na-Ka-Pumpe pumpt unter dem Verbrauch von ATP Natrium aus Kalzium Ligandengesteuert der Zelle heruas und Kalium in die Zelle hinein. Man spricht auch von einer Natrium-Kalium-ATPase, das sowohl Natrium als auch Kalium die Pumpe aktivieren, also zum Verbrauch von ATP führen. Bilanz Die wichtigsten Na-Ka-Pumpen fördern unter dem Verbrauch von 1 ATP drei Natrium-Ionen aus der Zelle und zwei Kalium-Ionen in die Zelle. Dadurch sinkt das Membranpotenzial - Hyperpolarisation.

9 Erregbarkeit der Axon Das Ruhe-Membran-Potential - Übersicht Das RMP der Zellen liegt bei -4 bis - 9 mv. Es kommt durch die ungleiche Verteilung der Elektrolyte im Intra- und Extrazellularraum zustande. Es besteht in einem Gleichgewicht vierer Kräfte: Die Na-Ka-Pumpe sorgt für die Ungleichverteilung von Natrium und Kalium Durch den Kalium-Leck-Kanal strömen Kalium-Ionen - dem Konzentrationsgradienten folgend wieder aus der Zelle - dem elektrischen Potenzial folgend wieder in die Zelle Trotz geschlossener Natrium-Kanäle fließt etwas Natrium in die Zelle Kanäle Chlorid Kalium Natrium Kalzium Ligandengesteuert Kalium-Ausstrom nach Konzentrationsgradient 3 Natrium Extrazellularraum Kalium-Leck-Kanal Natrium-Kalium- Pumpe Natrium-Kanal Zellmembran Intrazellularraum 1 ATP Kalium-Einstrom nach Ladungsgefälle 2 Kalium 1 ADP + 1 P Natrium-Einstrom nach Konzentrationsgradient und elektrischem Potenzial

10 Erregbarkeit der Axon Ablauf eines Aktionspotenzial Ein Aktionspotenzial ist eine kurze vorrübergehende Änderung des Membranpotenzials einer Zelle. Alles-oder-Nichts-Gesetz Erreicht die Veränderung eine bestimmte Stärke - Schwellenwert - laufen die folgenden Prozesse immer gleich ab - sonst geschieht nichts. Vor- Membranpotenzials bis zum Schwellenwert mv Aktionspotential -55 Schwellenspannung -7 RMP -9 Reiz Nach-Hyperpolarisation Aktionspotenzial Nach- Hyperpolarisation Membranpotenzials in positive Bereiche Wiederherstellung des RMP Kurzfristiges Absinken des RMP auf negativere Werte +3 Zeit ms

11 Erregbarkeit der Axon Aktionspotenzial - Chlorid Unter der versteht man die Veränderung der Membranspannung zu größeren Werten. Werte oberhalb mv werden als Overshoot bezeichnet. Vordepolarisation Beim Eintreffen eines Reizes von einer anderen Nerven- oder Sinneszelle öffnen sich ligandengesteuerte Natrium-Kanäle - Kanäle, die sich durch Botenstoffe öffnen. Es kommt zu einem Na-Einstrom. Kanäle Kalium Natrium Kalzium Ligandengesteuert Vor- Membranpotenzials bis zum Schwellenwert mv Aktionspotential +3 Ligandengesteuerte Natrium -55 und Kalzium-Kanäle öffnen sich Schwellenspannung -7 RMP -9 Reiz Nach-Hyperpolarisation Aktionspotenzial Nach- Hyperpolarisation Membranpotenzials in positive Bereiche Wiederherstellung des RMP Kurzfristiges Absinken des RMP auf negativere Werte Zeit ms

12 Erregbarkeit der Axon Aktionspotenzial - Synaptische Verschaltung des Nervensystems Jede der 1 Milliarden Nervenzellen bildet 1 Synapsen. Jeder Nerv wird also nicht nur von einer Synapse angesprochen, sondern von vielen. Dabei setzen die Synapse an den Dendriten und am Soma eines Neurons an. sentstehung am Axon Axon-Hügel Der Axon-Hügel ist die Ursprungsstelle eines Axons am Soma eines Neurons. Die en, die die ankommenden Präsynapsen an der Postsynapse auslösen, wandern zum Axon-Hügel. Summation Einlaufende aktivierende und hemmende Membranpotenziale summieren sich auf. Erreichen sie den Schwellenwert, entsteht ein Aktionspotenzial, das das Axon entlangwanderns kann. Hemmende und aktivierende Synapsenwirkung EPSP - exzitatorisches postsynaptisches Potenzial Die Synaptische Botschaft an das Neuron führt dort zu einer führen, die zum Axon-Hügel wandert. IPSP - inhibitorisches postsynaptisches Potenzial Oder sie führt zu einer Hyperpolarisation, die das Membranpotenzial senkt. Summation Da die meisten exzitatorischen Synapsen an den Dendriten enden, die meisten inhibitorischen am Soma, und da die auf dem Weg zum Axon-Hügel abnimmt, bedarf es meist einiger EPSP um das Axon zu Depolarisieren.

13 Aktionspotenzial - Chlorid r Natrium-Kanal Ab dem Schwellenwert öffnen sich die geschlossen-aktivierbaren spannungsabhängigen Natrium-Kanäle sehr schnell für eine kurze Zeit. Alles-oder-Nichts-Gesetz Es werden dabei nicht alle, aber immer soviele geöffnet, dass die Veränderung des Membranpotenzials immer gleich verläuft. Kanäle Kalium Natrium Kalzium Ligandengesteuert Vor- Membranpotenzials bis zum Schwellenwert mv Aktionspotential +3 Natrium und Kalzium-Kanäle öffnen sich -55 Schwellenspannung -7 RMP Reiz -9 Nach-Hyperpolarisation Aktionspotenzial Nach- Hyperpolarisation Membranpotenzials in positive Bereiche Wiederherstellung des RMP Kurzfristiges Absinken des RMP auf negativere Werte Zeit ms

14 Aktionspotenzial - Chlorid r Kalzium-Kanal Die Kalzium-Kanäle öffnen sich ebenso schnell und kurz nach Erreichen des Schwellenwertes. Vorkommen In Axonen sind die Kalzium-Kanäle vernachlässigbar - im Herzen, in der glatten Muskulatur, in Dendriten und Synapsen kommt ihnen jedoch eine größere Bedeutung als dem Natrium-Kanal zu. Kanäle Kalium Natrium Kalzium Ligandengesteuert Vor- Membranpotenzials bis zum Schwellenwert mv Aktionspotential +3 Natrium und Kalzium-Kanäle öffnen sich -55 Schwellenspannung -7 RMP Reiz -9 Nach-Hyperpolarisation Aktionspotenzial Nach- Hyperpolarisation Membranpotenzials in positive Bereiche Wiederherstellung des RMP Kurzfristiges Absinken des RMP auf negativere Werte Zeit ms

15 Aktionspotenzial - Mit wird die Wiederherstellung des RMP bezeichnet. Dazu muss der Einstrom positiver Ionen gestoppt werden und dann positive Ionen wieder ausgestoßen werden. Schließung und Inaktivierung spannungsgesteuerter Natrium-Kanäle Bereits während der, die weniger als 1ms dauert, schließen sich die Natrium-Kanäle spannungsabhängig wieder. Dabei werden die Natrium-Kanäle auch inaktiviert. Zustände der Natrium-Kanäle Geschlossen-inaktiviert Noch vor dem Maximum der schließen die Natrium- Kanäle. Dabei werden sie inaktiviert. Geschlossen-aktiviert Bei Erreichen des RMP werden sie durch die negative Spannung aktiviert, aber noch nicht geöffnet. Geöffnet Geöffnet werden die aktivierten Kanäle wieder durch das Erreichen des Schwellenpotenzials. Vor- Membranpotenzials bis zum Schwellenwert mv Aktionspotential Leitfähigkeit der Natrium- Kanäle ausgehend von minimaler Leitfähigkeit -55 Schwellenspannung -7 RMP -9 Reiz Nach-Hyperpolarisation Aktionspotenzial Nach- Hyperpolarisation Membranpotenzials in positive Bereiche Wiederherstellung des RMP Kurzfristiges Absinken des RMP auf negativere Werte +3 Zeit ms

16 Aktionspotenzial - Kalzium-Kanäle Die spannungsabhängigen Kalzium-Kanäle bleiben länger geöffnet. Aufgrund des jetzt positiven Membranpotenzials treten durch sie nun auch Kalzium-Ionen aus der Zelle wieder aus. Vor- -55 Schwellenspannung -7 RMP -9 Reiz Nach-Hyperpolarisation Aktionspotenzial Nach- Hyperpolarisation Membranpotenzials bis zum Schwellenwert Membranpotenzials in positive Bereiche Wiederherstellung des RMP Kurzfristiges Absinken des RMP auf negativere Werte mv +3 Aktionspotential Leitfähigkeit der Natrium- Kanäle ausgehend von minimaler Leitfähigkeit Leitfähigkeit der Kalium- Kanäle ausgehend von leichter Leitfähigkeit Zeit ms

17 Aktionspotenzial - Öffnung spannungsabhängiger Kalium-Kanäle Ebenfalls bereits während der, öffnen sich die spannungsabhängigen Kalium- Kanäle - allerdings langsamer als die Na- und Ka- Kanäle. Dadurch strömen viele Kalium-Ionen aus der Zelle und das Membranpotenzial sinkt wieder. Unterschiedliche Kalium-Kanäle Unterschiedliche Aktivierung Es werden mind. 6 Kalium-Kanäle unterschieden. Manche haben eine andere Potenzialabhängigkeit oder können auch über die intrazellulare Kalziumkonzentration gesteuert werden. Unterschiedliche Dies trägt zur unterschiedlichen in Nerv, Herzmuskel, glatter oder Skelettmuskulatur bei. Ein Natrium-Kanal - eine Die verläuft bei allen Zellen gleich, da alle über den gleichen Natrium-Kanal verfügen. Vor- -55 Schwellenspannung -7 RMP -9 Reiz Nach-Hyperpolarisation Aktionspotenzial Nach- Hyperpolarisation Membranpotenzials bis zum Schwellenwert Membranpotenzials in positive Bereiche Wiederherstellung des RMP Kurzfristiges Absinken des RMP auf negativere Werte mv +3 Aktionspotential Leitfähigkeit der Natrium- Kanäle ausgehend von minimaler Leitfähigkeit Leitfähigkeit der Kalium- Kanäle ausgehend von leichter Leitfähigkeit Zeit ms

18 Aktionspotenzial - Nach-Hyperpolarisation Schluss spannungsabhängiger Kalium-Kanäle Die Kalium-Kanäle schließen teilweise erst verzögert, so dass der Kationen-Ausstrom auch unter dem RMP noch weitergeht und so kurzfristig noch nierdrigere Werte entstehen können. Vor- -55 Schwellenspannung -7 RMP -9 Reiz Nach-Hyperpolarisation Aktionspotenzial Nach- Hyperpolarisation Membranpotenzials bis zum Schwellenwert Membranpotenzials in positive Bereiche Wiederherstellung des RMP Kurzfristiges Absinken des RMP auf negativere Werte mv +3 Aktionspotential Leitfähigkeit der Natrium- Kanäle ausgehend von minimaler Leitfähigkeit Leitfähigkeit der Kalium- Kanäle ausgehend von leichter Leitfähigkeit Zeit ms

19 Aktionspotenzial - Refraktärzeit Die Refraktärphase bezeichnet einen Zeitabschnitt, während dessen kein oder nur ein abgeschwächtes Aktionspotenzial ausgelöst werden kann. Aktivierungszeit der Natrium-Kanäle Die Natrium-Kanäle werden mit dem Erreichen des RMP aktiviert. Erst dann können sie wieder geöffnet werden. Der Vorgang der Aktivierung dauert 2-4 ms. Absolute Refraktärzeit Es kann auch durch beliebig hohe Vor- kein Aktionspotenzial ausgelöst werden. Relative Refraktärzeit Durch hohe Vor-en kann ein schwächeres Aktionspotenzial ausgelöst werden. mv +3 Aktionspotential -55 Schwellenspannung -7 Absolute RMP Refraktär Reiz -9 -zeit Nach-Hyperpolarisation Relative Refraktär -zeit Zeit ms

20 Die Nernst-Gleichung Berechnung des Gleichgewichtpotenzials Die Nernst-Gleichung beschreibt das Gleichgewichtspotenzial eines einzigen Ions. Gäbe es an einer Zelle nur einen offenen Kanal für ein Ion, dann würde sich die Verteilung des Ions in Abhängigkeit von der intra- und extrazellulären Konzentration des Ions und der Membranspannung einstellen. Vorfaktor Der vorstehende Faktor ist eine Konstante, der durch die Wertigkeit des Ions modifiziert wird: 61mV x 1/z R = universelle Gaskonstante T = absolute Temperatur F = Faraday-Konstante z = Für Cl - ist z = (-1); Für Ca 2+ ist z = 2 Logarhythmus Der Logarhythmus als mathematische Funktion hat folgende an dieser Stelle wichtige Eigenschaften: log 1 = log x < 1 hat ein negatives Ergebnis log x > 1 hat ein positives Ergebnis log a/b = (-1) x log b/a In vielen Büchern wird diese Umformung angewendet. y Dekadischer Logarhythmus Nernst-Gleichung 1 2 x Formel zur Berechnung des elektrochemischen Gleichgewichtspotenzials. RT extrazelluläre Konzentration EIon = x lg zf intrazelluläre Konzentration R = Gastkonstante, T = absolute Temperatur, z = Wertigkeit des Ions F = Faraday-Konstante

21 Die Nernst-Gleichung Elektrolytverteilung Kalium ist das Haupt-Ion des Zellinneren. Die intrazelluläre Konzentration ist 2-1 mal höher als die extrazelluläre. Chlorid macht von den intrazellulären Anionen nur einen kleinen Teil aus, da die großen negativen Peptide nicht durch die Zellwand dringen können. Es liegt extrazellulär 2-1 höher konzentriert vor als intrazellular. Natrium ist das Haupt-Ion des Extrazellularraums. Es liegt dort 5-15 mal konzentrierter vor als intrazellulär. Das Kalium-Gleichgewichtspotenzial Setzt man die Kaliumwerte in die Nernst-Gleichung ein, so ergibt sich folgendes Bild: EK = 61mV x 1/1 x lg 4/155 EK = 61mV x lg,26 EK = 61mV x (-1,585) EK = 97mV Das Natrium-Gleichgewichtspotenzial EK = 61mV x 1/1 x lg 145/12 EK = 61mV x lg 12,8 EK = 61mV x (1,82) EK = 66mV Nernst-Gleichung Formel zur Berechnung des elektrochemischen Gleichgewichtspotenzials. RT extrazelluläre Konzentration EIon = x lg zf intrazelluläre Konzentration R = Gastkonstante, T = absolute Temperatur, z = Wertigkeit des Ions F = Faraday-Konstante y Dekadischer Logarhythmus 1 2 x

22 Die Goldmann-Gleichung Goldmann-Gleichung Da eine Zelle normalerweise Kanäle für verschiedene Ionen besitzt und diese Kanäle auch nicht immer gleich permeabel sind, bezieht die Goldmann-Gleichung diese Faktoren mit ein. Sie gibt an, welches Membranpotenzial entsteht, in Abhängigkeit von: Permeabilität, Konzentration innen und außen und drei Elektrolyten. Zellmembranpotenzial Vorfaktor: 61mV x 1/Wertigkeit Wertigkeit: 1, da zwei Kationen und ein Anion Permeabilität: Na =,1, Ka =,8, Cl =,8 y Dekadischer Logarhythmus 1 2 x Mit geöffneten Kalium-Kanälen,1 x 145 +,8 x 4 + x 4 UM = 61 x lg ,1 x 12 +,8 x x UM = 61 x lg = 61 x lg,136 = 61 x (-,866) = -53mV 125 Mit geöffneten Natrium-Kanälen,8 x 145 +,1 x 4 + x 4 UM = 61 x lg ,8 x 12 +,1 x x UM = 61 x lg = 61 x lg 4,64 = 61 x,667 = 41mV 25 Goldmann-Gleichung Formel zur Berechnung des Membranpotenzials. RT P Na x Na + e + P K x K + e + P Cl x Cl - i U M = x ln zf P Na x Na + i + P K x K + i + P Cl x Cl - e R = Gastkonstante, T = absolute Temperatur, z = Wertigkeit des Ions F = Faraday-Konstante, P = Permeabilität

23 Beeinflussung der Ionen-Kanal-Blocker Für fast alle Kanäle gibt es selektive Inhibitoren. Natrium-Kanal-Blocker Durch die Blockade der spannungsabhängigen Natrium-Kanäle kann die Membran nicht depolarisiert werden. Lidocain Lokalanästhetika - Gehört zur Gruppe der Cocaine Tetrodotoxin Gift des japanischen Pufferfisches Kalium-Kanal-Blocker Durch die Blockade der spannungsabhängigen Kalium-Kanäle kann die Membran nicht repolarisiert werden. Dendrotoxin Gift der grünen Mamba.

24 Beeinflussung der Elektrolytstörungen Neben den Kanälen trägt die Elektrolytkonzentration wesentlich zur Ausbildung eines Aktionspotenzials bei. Kalzium Die spannungsabhängigen Natrium-Kanäle, die das Aktionspotenzial ermöglichen, öffnen sich, wenn die lokale Membranspannung den Schwellenwert erreicht - weniger negativ wird. Hyperkalzämie Liegen extrazellulär vermehrt Kalzium-Kationen vor, können diese an der Außenseite der Zelle an die Natrium-Kanäle binden. Dadurch kommt es lokal zu einem negativeren Membranpotenzial. Die spannungsabhängigen Natrium-Kanäle werden erst bei einer stärkeren - Gesamtpotenzial, nicht lokal - geöffnet. Es kann schlechter Aktionspotenzial gebildet werden. Hypokalzämie Bei der Hypokalzämie liegt die umgekehrte Situation vor. Das Membranpotenzial lokal an den Natrium-Kanal-Stellen ist weniger negativ und es werden leichter Aktionspotenziale gebildet. Es kommt zur Tetanie.

25 Beeinflussung der Elektrolytstörungen Neben den Kanälen trägt die Elektrolytkonzentration wesentlich zur Ausbildung eines Aktionspotenzials bei. Kalium Die spannungsabhängigen Natrium-Kanäle, die das Aktionspotenzial ermöglichen, öffnen sich, wenn die lokale Membranspannung den Schwellenwert erreicht - weniger negativ wird. Hyperkaliämie Bei der Hyperkaliämie kommt es zu einer der Zelle. Das Ruhemembranpotenzial ist erhöht. Daraus resultiert zunächst zwar scheinbar eine leichtere Erregung der Zelle, aber da so nicht mehr die negativen Werte erreicht werden, die die Natrium-Kanäle benötigen, um wieder aktiviert zu werden, wird die Zelle faktisch schlechter erregbar. Hypokaliämie Bei der Hypokaliämie kommt es zu einer Hyperpolarisation der Zelle. Das Ruhemembranpotenzial ist erniedrigt. Achtung: Bei glatten Muskelzellen kommt es kompensatorisch zu einem Einstrom von Kalzium in die Zelle, welches dann Kontraktionen auslösen kann ohne das ein nervaler Reiz vorausgegangen ist.