Gliederung. Biopsychologie Vertiefung WS 07/08

Transkript

1 Gliederung Wiederholung: Informationsverarbeitung im Gehirn Wiederholung Vorlesung: das Neuron Aufbau und Funktion der Zellmembran Ionenkanäle Wiederholung Vorlesung: das Ruhepotential Wiederholung Vorlesung: Das Aktionspotential

2 Informationsverarbeitung Input Gehirn Output sehen riechen spüren hören schmecken Sinneseindrücke Verarbeitung Verhalten: z.b. Motorik, Denken, Emotion, physiologische Reaktionen

3 Input Bsp. Informationsverarbeitung Gehirn Output Sinneswahrnehmung: Sehen: Glas mit Saft Verarbeitung: Erkennen: das ist ein Glas mit Saft Registrieren physiologischer Bedürfnisse: ich habe Durst Bewertung: das sieht lecker aus Motivation: ich will das haben Motorik: Einleiten der Handlung Verhalten: nach dem Glas greifen

4 Das Gehirn das Gehirn ist zusammengesetzt aus ca (100 Milliarden) Nervenzellen

5 graue/weiße Substanz graue Substanz = Zellkörper weiße Substanz = Axone

6 Informationsübertragung die Nervenzellen kommunizieren miteinander visuelle Informationen sie übertragen Informationen von A nach B

7 Struktur der Nervenzelle für die Informationsübertragung sind sie perfekt ausgestattet: I N F O R M A T I O N Zellkörper Dendritenbaum zum Auffangen der Informationen Axonhügel Axon zum Weiterleiten der Information Synaptisches Endknöpfchen zur Weitergabe der Information

8 Die Zellmembran Die Nervenzelle ist von einer Membran umgeben, die das Zellinnere gegen den Extrazellulärräum abgrenzt Lipiddoppelschicht Phosphorsäure Fettsäure

9 Die Zellmembran Die Nervenzellmembran baut sich aus Phosphoglyceriden (Phospolipiden) auf Diese Moleküle haben einen polaren (hydrophilen) Kopf und zwei unpolare (hydrophobe) Schwänze sie bilden in wässriger Lösung spontan bimolekulare Schichten Fettsäure Phosphorsäure

10 Die Zellmembran Zellmembran = dünne (ca nm), zweischichtige Struktur grenzt die Zelle von ihrer Umgebung ab hat große Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen des Körpers jede Art von Wechselwirkung zwischen der Zelle und ihrer Umgebung erfolgt durch diese Membran

11 Die Zellmembran Gibt man einige Phospholipide in Wasser, können sich 2 Strukturen bilden: Micellen kugelförmig, Fettsäureschwänze (Kohlenwasserstoffketten) innen, Phosphorsäureköpfe außen Lipiddoppelschichten bimolekulare Schicht, Fettsäureschwänze (Kohlenwasserstoffketten) innen, Phosphorsäureköpfe außen Tatsächlich bilden die Phosphoglyceride der Zellmembran spontan Lipiddoppelschichten (keine Micellen) aus

12 Die Zellmembran: Rolle der Proteine Die Lipiddoppelschicht enthält große Proteinmoleküle: 1. Membrandurchspannende (transmembrane) 2. einseitig aus der Membran herausragende (integrale) 3. auf der Membran aufliegende (periphere) Proteinmoleküle Proteingehalt einer typischen Membran: ca. 50%

13 Die Zellmembran: Rolle der Proteine die Membranproteine haben unterschiedliche Funktionen: o Kanäle o Rezeptoren o Pumpen o Enzyme Transport von chemischen Substanzen, Weitergabe von Information, Beteiligung am Stoffwechsel

14 Die Zellmembran

15 Membrankanäle Die Lipiddoppelmembran wäre ohne Membranproteine quasi undurchlässig Einige Membranproteine stellen Poren oder Kanäle dar, durch die geladene Teilchen (Ionen) passieren können

16 Membrankanäle außerhalb und innerhalb der Nervenzelle befinden sich viele verschiedene Ionen in unterschiedlichen Konzentrationen Extrazellulärraum Intrazellulärraum

17 mit Hilfe der Ionenkanäle können die Ionen die Membranseite wechseln Membrankanäle Ionenkanäle erkennen bestimmte Ionen und sind nur für diese durchlässig In der Nervenzelle gibt es spezifische Kanäle für K, Na, Cl - und Ca 2 sie ermöglichen extrem hohe Geschwindigkeit der Ionenleitung (100 Millionen Ionen/s) es sind nicht nur einfache Röhren, sondern hoch komplexe molekulare Strukturen, die auf chemische und physikalische Veränderungen in ihrer Umwelt reagieren können

18 Ionenkanäle Es gibt 2 Arten von Ionenkanälen: Offene Ionenkanäle besitzen keinen Verschlussmechanismus im Ruhezustand der Zelle immer geöffnet Ionen fließen passiv durch Kanäle sind selektiv für bestimmte Ionen kein Energieaufwand; Ionen diffundieren aufgrund des Konzentrationsgefälles Verschließbare Ionenkanäle aktiv können sich öffnen und schließen werden durch unterschiedliche Mechanismen gesteuert: transmittergesteuert mechanisch gesteuert spannungsgesteuert (De)phosphorylierung

19 Ionenkanäle Ionenkanäle sind selektiv für verschiedene Ionenarten z.b. Kaliumkanal

20 Mechanismen der Ionekanalsteuerung Ligandenbindung Ligandenbindung (De-)Phosphorylierung (De-)Phosphorylierung Änderungen des Membranpotentials Änderungen des Membranpotentials mechanische Reize mechanische Reize

21 Verschlussmechanismen der Ionenkanäle lokale Konformationsänderung des Proteins (Schließung an einem begrenzten Bereich) Konformationsänderung des Gesamtmoleküls (Schließung über die gesamte Länge des Kanals) Ball and Chain-Modell (ein bewegliches Teilchen blockiert die Kanalmündung)

22 Die Ionenkanäle spielen eine entscheidende Rolle bei der elektrischen Aktivität (Ruhepotential / Aktionspotential) einer Nervenzelle Im Inneren der Zelle befinden sich - relativ zum Extrazellulärraumviele negative elektrische Ladungen Das Ruhepotential Extrazellulärraum Intrazellulärraum

23 Das Ruhepotential Über die Membran einer Nervenzelle hinweg besteht eine Potentialdifferenz von -60 bis -70 mv die Potentialdifferenz ist eine relative Größe (Außenmedium ist definiert als 0 mv) In diesem System spielen eine Rolle Ionen Ionenkanäle eine Ionenpumpe elektrostatische und Diffusionskräfte

24 Ionenkonzentrationen beim Ruhepotential Konzentrationsmessungen innerhalb und außerhalb eines Axons ergeben folgende Werte: Ionentyp Konzentration innen (mmol/l) Konzentration außen (mmol/l) Nernst-Potential (in mv) Kalium (K ) Chlorid (Cl - ) Natrium (Na ) Protein- und Säureanionen (A - ) hoch sehr gering -

25 Ruhepotiential Bsp. Gliazellmembran Die Gliazellmembran besitzt Ionenkanäle, die nur für K durchlässig sind Alle anderen Ionen können die Membran nicht durchdringen Annahme A: Alle Kalium-Ionen befinden sich im Zellinneren (und es besteht keine Potentialdifferenz) Kalium Diffussionskraft Diffusionskraft: Konzentrationsdifferenz wird ausgeglichen -> Kalium diffundiert aus der Zelle

26 Ruhepotiential Bsp. Gliazellmembran Kalium Diffussionskraft Ergebnis: K verlässt die Zelle über Ionenkanäle, um das Konzentrationsgefälle auszugleichen = Bewegung entlang des chemischen Konzentrationsgradienten

27 Ruhepotiential Bsp. Gliazellmembran Annahme B: Es wird berücksichtigt, dass sich im Zellinneren viele organische Anionen [A-] (mit negativer Ladung) befinden die negative Ladung bewirkt, dass die positiven Kalium-Ionen angezogen werden (elektrostatische Anziehung) diese verhindert den starken Ausstrom der Kalium-Ionen es wirken also 2 Kräfte gegen einander: Diffusionskraft und elektrostatische Kraft Kalium Anionen Elektrostatische Kraft Diffussionskraft

28 Ruhepotiential Bsp. Gliazellmembran Die elektrostatische Kraft verstärkt sich, je mehr Ionen das Zellinnere verlassen Kalium Anionen Elektrostatische Kraft Diffussionskraft Ergebnis: Viele Kalium-Ionen, die die Zelle gerne verlassen würden, werden durch elektrostatische Kräfte zurückgehalten

29 Ruhemembranpotential Bei gleichzeitigem Wirken beider Kräfte ergibt sich das in der Tabelle beschriebene Konzentrationsgefälle für Kalium-Ionen. Dieses Gefälle ist ein Gleichgewicht, das sich selbst stabil hält Ionentyp Konzentration innen (mmol/l) Konzentration außen (mmol/l) Nernst-Potential (in mv) Kalium (K )

30 Ruhemembranpotential Weil das Gleichgewicht, das sich für Kalium (K ) ergeben hat, letztlich einen kleinen Überschuss positiver Ladungen im Zelläußeren und negativer Ladungen im Zellinneren hinterlässt, ergibt sich eine Potentialdifferenz. Die Ladungen streben nach einem gegenseitigen Ausgleich, der aber durch die Membran hindurch nicht möglich ist

31 Nervenzellmembran die Nervenzellmembran ist neben Kalium- auch für Natrium- und Chlorid-Ionen permeabel K Cl- Na Nur organische Anionen können nicht durch die Membran diffundieren Die Membran ist für keine Ionensorte frei permeabel, sondern nur eingeschränkt durchlässig. Für jede der drei Ionensorten werden elektrostatische- und Diffussionskräfte wirksam

32 Treibende Kraft Diffusion elektrostatisch Netto treibende Kraft X Permeabilität (P i ) Nettoionenfluss extrazellulärer Raum Na x P Na = Zytoplasma Na extrazellulärer Raum K x P K = Zytoplasma K extrazellulärer Raum Cl - x P Cl = Zytoplasma Cl

33 Nervenzellmembran Das Na -Gleichgewichtspotential für die Konzentrationen in der Tabelle beträgt laut Nernst-Gleichung 55 mv Warum wird dieses Potential an der Nervenzellmembran letztlich nicht erreicht? Eine Zelle hat relativ wenige Na Kanäle mit Ruheleitfähigkeit daher ist die Na -Leitfähigkeit im Ruhezustand ziemlich niedrig und der Einstrom von Na in die Zelle gering, obwohl starke chemische und elektrische Kräfte Na in die Zelle drängen

34 Nervenzellmembran durch den Einstrom von Na entsteht eine leichte Depolarisation des Membranpotentials das Potential entfernt sich vom K - Gleichgewichtspotential deshlab erhöht sich die elektrochemische Kraft, die K aus der Zelle treibt Neurone haben viele Ruhekanäle mit K -Leitfähigkeit, deshalb kann K ungehindert die Zelle verlassen der K -Ausstrom ist genauso groß, wie der Na Einstrom

35 Ionenverteilung

36 Nervenzellmembran Diese Vorgänge haben zwei Effekte: 1. Das Potential verändert sich so lange in Richtung Na - Gleichgewichtspotential, bis ein Gleichgewicht zwischen Na - Einstrom und K -Ausstrom erreicht ist Dieses Gleichgewicht ergibt sich bei etwa -60 mv Damit hat sich das Membran-Potential ein wenig in Richtung Na - Gleichgewichtspotential verschoben, ist aber noch weit von den berechneten 55 mv entfernt 2. Das System ist zwar elektrostatisch ausgewogen, jedoch wechseln Na und K immer wieder ihre Plätze im Zellinneren bzw. Zelläußeren Gegensteuerung: aktiver Austauschmechanismus, die Natrium- Kalium-Pumpe

37 Die Natrium-Kalium-Pumpe aktive Ionenpumpe, die unter Energieverbrauch den Ionengradienten aufrecht erhält gleicht den passiven Ionenfluss (Leckstrom) von Na- un Ka-Ionen aus für 2 Kaliumionen, die sie in die Zelle bringt, pumpt sie 3 Natriumionen aus der Zelle heraus in den Extrazellulärraum die Na/KPumpe ist für die Konstanthaltung der Na-K- Konzentration verantwortlich

38 Die Natrium-Kalium-Pumpe Trotz passiven Eintritts der Na -Ionen und dem ständigen Austritt von K -Ionen ist das Ruhepotential konstant Ionenverteilung ändert sich mit Hilfe der Ionenpumpe nicht Na/KaPumpe sorgt für einen aktiven Transport von Na aus der Zelle und gleichzeitig von K in die Zelle Dabei müssen beide Ionen gegen ihren elektrochemischen Gradienten bewegt werden dafür benötigte Energie wird durch ATP zur Verfügung gestellt

39 Die Natrium-Kalium-Pumpe Die Aktivität der Pumpe ist von der Natriumkonzentration in der Zelle und von der Kaliumkonzentration außerhalb der Zelle abhängig. Je mehr Natrium sich in der Zelle befindet, umso aktiver wird die Pumpe

40 Ruhemembranpotential FAZIT: Das Ruhemembranpotential ist ein Fließgleichgewicht -> der aktive Auswärtsstrom durch die Pumpe wird durch den passiven Einwärtsstrom durch die Ionenkanäle genau ausgeglichen

41 Rolle der Chlorid-Ionen Cl - liegt außerhalb der Zelle in höherer Konzentration vor als innerhalb Diffusionsneigung nach Innen, wobei die elektrostatische Kraft Chlorid-Ionen daran hindert, in die Zelle einzudringen Die Verteilung der Chlorid-Ionen richtet sich nach den bestehenden Kräften, vor allem der Verteilung von K und Na, und stellt sich auf ein Gleichgewicht ein, das ziemlich genau dem Ruhepotential der Zelle entspricht

42 Das Aktionspotential Allgemeine Informationen: Nervenzellen (NZ) dienen der Informationsübermittlung sie kommunizieren über elektrochemische Signale -> elektrisch = Aktionspotentiale, die die Information weiterleiten und -> chemisch = Neurotransmitter, die an der Axonendigung ausgeschüttet werden und das Signal auf die nachfolgende NZ übertragen

43 Das Aktionspotential das Aktionspotential beginnt an der Stelle, wo das Axon den Zellkörper verlässt es pflanzt sich auf dem Axon fort bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit das Axon hinab an der präsynaptischen Endigung angekommen, löst es die Freisetzung chemischer Transmittermoleküle aus

44 Das Aktionspotential Aktionspotentiale werden durch eine Vielzahl physikalischer Ereignisse in der Umwelt ausgelöst: Geräusche Gerüche Geschmack Licht mechanischen Kontakt Temperatur aber auch bei kognitiven Prozessen wie Lernen und Gedächtnis oder bei emotionalen Prozessen (Schreck, Furcht, Angst, etc.) sowie motorischen Prozessen.

45 Entstehung des Aktionspotentials durch Wirkung einer Transmittersubstanz an den Rezeptoren der synaptischen Membran verändert sich die Durchlässigkeit der Membran für Na, Ka, Cl- und Ca2 Ionen fließen in die Zelle und machen das Zellinnere etwas negativer (Cl-) oder etwas postitiver (Na, K) diese Prozesse nennt man Hyperpolarisation oder Depolarisation je positiver das Zellinnere wird (Depolarisation -> Einstrom von Na oder K), um so leichter kann ein Aktionspotential ausgelöst werden je negativer das Zellinnere wird (Hyperpolarisation -> Einstrom von Cl-), um so schwieriger ist es, ein Aktionspotential auszulösen

46 EPSP und IPSP Erregendes Signal erregendes Postsynaptisches Potential = EPSP Änderung des Membranpotentials Depolarisation Hemmendes Signal Inhibitorisches Postsynaptisches Potenzial = IPSP Änderung des Membranpotentials leichte Hyperpolarisation führt zu elektrotonischem Strom, der zum Axonhügel wandert und dort u.u. ein Aktionspotential auslöst

47 spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich bei einem Wert von -55mV Das Aktionspotential EPSPs und IPSPs werden verrechnet bei vielen EPSPs wird u.u. der Schwellenwert erreicht und die Na Kanäle öffnen sich das Aktionspotential beginnt am Axonhügel hier befinden sich besonders viele Natriumkanäle verstärkter Na-Einstrom führt zur weiteren Depolarisation der Zelle und somit zu verstärktem Öffnen von Na-Kanälen

48 Das Aktionspotential EPSP IPSP Axonhügel

49 Das Aktionspotential etwa zeitgleich öffnen sich spannungsgesteuerte K-Kanäle -> K strömt aus der Zelle aus K-Kanäle schließen sich zeitverzögert, so dass viele positiv geladene K-Ionen ausströmen und das Zellinnere wieder negativer machen (Repolarisation) durch den verstärkten K-Ausstrom erfolgt eine kurzzeitige Hyperpolarisation, so dass direkt nach dem AP keine Erregung der Zelle mehr möglich ist (Refraktärzeit)

50 Myelinisierung die Geschwindigkeit der Fortleitung eines Aktionspotentials kann durch eine Myelinschicht um das Axon erhöht werden Myelin = eine lipidreiche Biomembran, die sich spiralförmig um das Axon legt sie erfolgt durch den Gliazelltyp der Oligodendrozyten Myelin wirkt wie eine Isolierschicht

51 Myelinisierung

52 Myelin Aktionspotential die Myelinscheide ist in regelmäßigen Abständen von Ranvierschen Schnürringen unterbrochen an den Schnürringen wird das AP immer wieder neu generiert dort befinden sich besonders viele spannungsgestäuerte Na- Kanäle = SALTATORISCHE REIZWEITERLEITUNG

53 Myelinisierung Die Markscheide um das myelinisierte Axon ist in regelmäßigen Abständen durch die Ranvierschen Schnürringe unterbrochen Saltatorische Erregungsleitung

54 Die Nernst-Gleichung die Nernst-Gleichung bietet die Möglichkeit, ein elektrisches Potential zu berechnen, das sich an einer Membran ergibt der berechnete Wert von -75 mv entspricht dabei genau dem empirisch ermittelten Gleichgewichtspotential einer Gliazelle dieses Potential ist allein vom Gleichgewicht der K -Ionen abhängig Anmerkungen zum Einsatz der Nernst-Gleichung: sagt das Potential einer Zelle nur unter folgenden Bedingungen exakt voraus: es wird nur eine bestimmte Ionensorte betrachtet die Konzentration der Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle ist bekannt die Membran ist für das betrachtete Ion frei permeabel

55 Die Nernst-Gleichung Nernst-Gleichung: E K = RT zf [ K ] ln [ K ] o i Wobei: E k Gleichgewichtspotential für Kaliumionen R Allgemeine Gaskonstante z Wertigkeit des Ions (für K ist z = 1) F Faraday-Konstante T Temperatur (in Kelvin) [K ] o Extrazelluläre Konzentration der Kaliumionen [K ] i Intrazelluläre Konzentration der Kaliumionen In einer Gliazelle entspricht die empirisch ermittelte Potentialdifferenz genau der von der Nernst-Gleichung vorhergesagten Gilt nicht für eine Nervenzelle: Das Gleichgewichtspotential in einer Nervenzelle beträgt nur zwischen -60 und -70 mv das Neuronmembranpotential ist zusätzlich von anderen Faktoren abhängig

56 Die Goldmann-Gleichung Das Ruhepotential kann unter konstanten Bedingungen (d.h. wenn sich Konzentrationen und Permeabilitäten nicht ändern) durch die Goldman-Gleichung berechnet werden. Goldman-Gleichung: V m = RT F ln P P K K [ K [ K ] ] o i P P Na Na [ Na [ Na ] ] o i P P Cl Cl [ Cl [ Cl ] ] i o Wobei: Vm Ruhepotential an der Zellmembran P Permeabilität der Membran für eine Ionensorte Untersuchung (A. Hodgkin & B. Katz; 1949) von Nervenzelle mit der Goldman- Gleichung: Über die Veränderung der extrazellulären Ionenkonzentrationen am Tintenfischaxon konnte gezeigt werden, dass die Goldman-Gleichung mit folgenden relativen Permeabilitätswerten exakt das Ruhepotential voraussagt: P K / P Na / P Cl = 1 / 0.04 / 0.45