Membranruhepotenzial, Aktionspotenzial und elektrotonische Potenziale. - Ionale Grundlagen -

Transkript

1 Membranruhepotenzial, Aktionspotenzial und elektrotonische Potenziale - Ionale Grundlagen - Lernziele: 4-6. Péter Sántha Das Membranpotenzial Membranruhepotenzial: Transmembran Potenzialdifferenz unter Ruhebedingungen (keine Reizung, Erregung) Zellspezifisch: mv Messung: Intrazelluläre Mikroelektrode Bedeutung: Signalübertragung und Fortleitung Transportprozesse Regelung des Zellvolumens Erhaltung: Aktiver Prozess (bis zu 70% des ATP Verbrauchs!!) 1

2 Asymmetrische Ionenverteilung in den Extra- und Intrazelluläre Flüssigkeiten: EZF (mmol/l) IZF (mmol/l) Plasmamembran Entstehung des Nernst Potenzials (Diffusionsgleichgewicht): Gleichgewicht zwischen der Konzentrationsdifferenz und Elektrische Potenzialdifferenz getriebene Ionenströme (Nettostrom=0) gemessene Potenzialdifferenz ist Proportional mit der Konzentrationsdifferenz Anfang Diffusionsgleichgewicht - + K + permeable Membran Neg. Pos. Ladungsabtrennung - Elektrisches Feld 2

3 Die Nernst Gleichung: Ergibt das Gleichgewichtpotenzial beim angegebenen EZ und IZ Ionenkonzentrationen Z = Valenz des Ions R = Gaskonstante F = Faradaykonstante T = Temperatur T=37 ºC Kalkulierte Gleichgewichtspotenziale der Ionen (in den Zellen): Problem: Jede Ionen haben eigene Gleichgewichtspotenziale Diese Werte unterscheiden sich vom gemessenen Ruhepotenzial Zur konstruieren einem ausreichenden Modell wir müssen beabsichtigen: + die Diffusion der wichtigsten Ionen (Na + ; K + ; Cl - ) + Aktive Transportprozesse (Elektrogene Ionenpumpen!) + (Donnan Gleichgewicht) Voraussetzung eines stabilen Membranruhepotenzials: dynamisches Gleichgewicht der aus- und einwärts flieβende Ionenströme (Der resultierende Ionenstrom soll null sein!) Ohmsches Gesetz: R = U / I I = U / R und I = U x g (g=leitwert) Elektrischer Triebkraft (U) =?? U =E i = E Nernst Em Z.b.: I K+ =(E K+ - Em) x gk + I net = 0 = I K+ + I Na+ + I Cl- = g K+ x E ik+ + g Na+ x E ina+ + g Cl- x E icl- 3

4 Na + K Goldmann-Hodgkin-Katz Gleichung Ergibt den Wert des Diffusionsgleichgewicht bediengte Membranpotenzials bei angegebener Ionenkonzentrationen und Permeabilität (Leitwert) Verhältnissen Unter Ruhebedingungen: P K : P Na : P Cl = 1 : 0,04 : 0,45 Hohe K + Permeabilität : Ruhepotenzial liegt nah zum K + Gleichgewichtspotenzial! Veränderung der Parametern Veränderung des Membranpotenzials E m wird mehr negativ: Hyperpolarisation E m wird mehr positiv: Depolarisation Veränderung der Ionenkonzentrationen: [K + ] in EZF ist erhöht (Hyperkalemia): Depolarisation (Arrhytmien, Herzstillstand) [K + ] in EZF ist erniedrigt (Hypokalaemia): Hyperpolarization (Arrhythmien, PNS Störunge Diese Störungen können Notfallsituation auslösen!!! Veränderung der Leitfähigkeit (Ionenkanäle): Akzionspotenzial, Postsynaptisches Potenz. Problem: wegen der Diffusion langfristig würden die Konzentrationsgradienten abgebaut werden und E m würde bis zu 0 mv senken (A) Aufrechterhaltung der konstanten Ionenkonzentrationen Na + -K + ATPase Elektrogener Transport (3 Na + pro 2 K + ) verschiebt das E m mit za. -5 mv in negative Richtung (hyperpolarisierndes Pumpenpotenzial) Konsekvenzen: Hemmung des ATPases depolarisiert die Membran Abbau des E m verursacht Cl - (und Na + ) Einstrom und Schwellung der Zelle (z.b.: Gehirnoedem) Na + -K + ATPase reguliert des Zellvolumens A) B) Em=-65mV Na + Em=-70mV Na + K + K + IZ EZ IZ EZ 4

5 Bedeutung der Membrankapazität Die elektrischen Ladungen (Ionen), die aufrechterhalten das Membranpotenzial sind an der IZ und EZ Oberflächen der Plasmamembran verteilt Plasmamembran wirkt als einer Kondensator (mittlerer Schicht Isolierung!) Unter Ruhebedingungen die Größe der Membrankapazität determiniert der Zahl der Ionen die das Ruhepotenzial aufrechterhalten C=Q/U Q=C m x U m (U m =E m ) C m hängt von Zelloberflache, Dicke der Membran, Dielektrische Konstante ab Beispiel: Eine Zelle mit 50 µm Durchmesser bei Em=- 60 mv (Cm= 1 µf/cm 2 ): Kalkulierte Ionenmenge die sind geladet in dem Membran Kondensator: 29 x 10 6 Ionen (1/ der Gesamtmenge IZ!!) Untersuchung des passiven Verhaltens des Membranpotenzials: Elektrische Reizung Intrazelluläre Reizelektrode (selten) Strom wird in die Zelle Eingespeist Ladungsverteilung an der Membranoberfläche: Kondensator (Kapazität) +parallel geschaltete Widerstand (Ionkanäle) positiver Strom Depolarisation negativer Strom Hyperpolarisation + - Den Stromstoß ausgelöste Potenzialverlauf ist als Elektrotonisches Potenzial (Elektrotonus) genannt E m ist proprtional mit der Reizstromgröße und dem Membranwiderstand 5

6 Extrazelluläre Reizelektrode: Kathode Membran Depolarisation Anode Membran Hyperpolarisation Beispiele: Ventrikuläre Tachycardien (Lebensgefahr!) Elektrokardioversion und Defibrillation Schrittmacher Therapie (Herz, Zwerchfell) Elektrokonvulzive Therapie (Psychose) TENS: Trans Dermal Nerve Stimulation (Schmerz Therapie) Diagnostische Verfahren (EMG, ENG usw.) Intrinsische elektrotonische (gradierte, lokale) Potenziale Postsynaptisches Potenzial (PSP) Ligandgesteuerte Ionkanäle ionotrope Rezeptoren Intrazelluläre signal gesteuerte Ionenkanäle - metabotrope Rezeptoren) Rezeptorpotenzial Sinneszellen, speziphische Sinnesorganen (Mechano-, Thermo- und Chemorezeptoren) senzorischer Transduktionsprozess Fortleitung des Aktionspotenzials Schrittmacherpotenzial 6

7 Eigenschaften der elektrotonischen Potenziale Reizintensität Richtung der Potenzialveränderung Amplitude Keine Schwelle (Obligat) De- oder hyperpolarisierend (Reizabhängig) Reizabhängig ( gradiert ) Fortleitung Refrakterität Mit Dekrement Keine Refraktärphase Summation Mechanismus Bedeutung Zeitliche und örtliche Verschiedene passive Iontransporte Erregungsfortleitung Postsynaptische Potenziale Rezeptorpotenziale Passive und aktive Potenzialveränderungen der erregbaren Membrane Neuroscience Purves, Dale; Augustine, George J.; Fitzpatrick 7

8 Aktionspotenzial Phänomenologie: Rasche Veränderung des Membranpotenzials Es wird Ausgelöst durch überschwellige Depolarizierung (IZ/EZ Reizungen; Schrittmacherzellen) Stereotyp: Verlauf, Zeitdauer und Amplitude sind konstante Alles-oder-nichts-Gesetz Phasen des Aktionspotenzials Aufstrich: schnelle Depolarisation 2. Gipfel (peak): Überschuss 3. Repolarosation Nachpotenziale: 4a. Hyperpolarisiernde 4b. Depolarisierende b. 4a. 8

9 Ionaler Mechanismus des Aktionspotenzials Depolarisation zur Schwelle: ~-50 mv (manche spannungsabhängige Na + Kanäle öffnen sich - lokaler Antwort ) Aufstrichphase: bei der Erregungsschwelle (Em ~ -40 mv) die Öffnung von weiteren Na + - Kanäle resultiert weitere Depolarisierung (gna+ Em wird positiver); es fördert die Aktivierung noch mehrere Na+ - Kanäle (positive Rückkopplung!!) Höchste gna + kurz bevor der Spitze Na+-Kanäle werden schnell inaktiviert (Inaktivierungs Tor) Spannungsabhängige K + -Kanäle öffnen sich verzögert (0,2-0,3 ms) mit langsamer Kinetik gk max während der Repolarisationsphase Nachpotenziale: unterschiedliche K+ Kanäle werden aktiviert Während des Aktionspotenzial erhöht sich die IZ Na + Konzentration nur mit ~0.013% es resultiert keine Veränderung in der Ionenverteilung Veränderung der Leitfähigkeit der Membran während des Aktionspotenzials Wenn das aktuelles Membranpotenzial (E m ) und Ionenströme (I Na+ und I k+ ) bekannt sind, es ist möglich die aktuellen Leitwerte der Ionen bestimmen: R=U/I g=i/u (Ohm Gesetz) Membranpotenzial ist Determiniert durch -Ionenkonzentrationen: Keine messbare Abweichung -Leitfähigkeit der Ionen: gna+ - schnelle Erhöhung dann Rückkehr gk+ - verzögerte Erhöhung langsamer Rückkehr Konzequenz: Aufstrichphase E m nähert sich zum Na+ - Gleichgewichtspotenzial (E Na + ~+60 mv) Repolarisationsphase E m nähert sich zum K+ -Gleichgewichtpotenzial (E K +~ -70mV) E Na+ E K+ 9

10 Funktionelles Modell des Na+-Kanals Während des Aktionspotenzials die aktivierten Na+-Kanäle werden inaktiviert (nicht Aktivierbar), solange das Membran depolarisiert ist Konzequenz: Refrakterität!! Messung der elementaren Ionenströme ermöglicht die Karakterisierung das Verhalten der Ionenkanäle Measurement of single channel activity using the patch-clamp method during depolarization of the membrane 10

11 Erhöhung der Aktivationsschwelle während des APs: Refraktärphasen Absolute Refraktärzeit: die Membran ist gar nicht aktivierbar Relative Refraktärzeit: die Membran kann nur mit überschwelliger Reizung aktiviert werd -- Frequenz der repetative Entladung der Zellen ist beschränkt ( Hz) Erregbarkeit der Membranen (Axonen) Reizintensität Reizintensität Reizdauer E 0 2xRheobase Rheobase Chronaxie Reizdauer Dicke markhaltige Fasern sind mehr erregbar als dünne marklose Fasern (Rheobase und Chronaxie Werte sind kleiner) 11

12 Abhängigkeit der Aktivationsschwelle der Na+-Kanäle von der Extrazelluläre Ca 2+ Konzentration Hypokalzämie: Teatanie Muskelkrämpfe (Stimmritzekrampf) Hyperkalzämie: Muskelschwache, Lähmungen Physiologischer Bereich: ~ 2 mmol/l Räumliche Verhältnisse des Elektrotonisches Potenzials - Längskonstant Elektrotonische Potentiale an langgestreckte Fasern Inhomogene Stromverteilung Einfluss des Längswiderstandes Zeitverlauf und Amplitude hängt von dem Ort der Stromapplikation ab Verzögerung der Entwicklung -E max nimmt ab: Dekrement Membranlängskonstant 37% (Längswiderstan reziprokal E Membranwiderstand -direkt Prop.) max 12

13 Stromdichte entlang der Faser Ra= Längswiderstand Die Fortleitung des Aktionspotenzials in den Axonen Aktionspotential löst Ionenströme aus: Der Inwärts Strom (Aufstrichsphase) depolarisiert der nebenliegende Axonsegmente (lokale Stromquelle) Depolarisation ist elektrotonisch fortgeleitet in die nebenliegende Axonsegmente Wenn hier die Depolarisation überschwellig ist dann neue Na + -Kanäle werden aktiviert AP Aufstrich Erregung wird vorwärts fortgeleitet Vorwärts Membran hat hohe Widerstand Strom resultiert hohe Potentialveränderung 20 m/s Rückwärts Fortleitung ist gehemmt: Membranwiderstand niedrig ist (geöffnete K+ Kanäle) Kurzschluss +Funktionszustand (refrakterität) der Na + -Kanäle 13

14 E 0 Passive auswärts Flux (K+) E Schwelle Potenzialverlauf entlang der Faser Na+ einwärts Flux Stromdichte entlang der Faser Ra= Längswiderstand Fortleitungsgeschwindigkeit der Axonen Markloße Fasern (Typ C) 1 m/s -- 3,6 km/h Markhaltige Fasern (Typ A und B) 100 m/s 360 km/h 14

15 Fortleitung des Aktionspotenzials in den Axonen Fortleitungsgeschwindigkeit hängt ab von: größe des depolarisierendes Ionenstroms (Aktivität der Na+ Kanäle) physikalischen Parametern des Axons und der Fortleitungsgeschwindigkeit: Direkt Proportional: Membranwiderstand Inverz Proportional: Längswiderstand Axon Durchmesser (Tintenfisch Riesenaxon ~ 1mm!!) Membrankapazität (Membrandicke) Wirbeltieren: Myelinscheide erniedrigt der Kapazität und erhöht den Membranwiderstand marklose und markhaltige Fasern und die Schwannzelle Na+ Kanal: Schnürring (grün) K+ Kanal: Paranodium (rot) 15

16 Saltatorische Erregungsleitung: Schnürring (2µm): Entstehung des APs (potenzialabhängige Na+ Kanäle) Internodium ( µm): keines AP elektrotonische Fortleitung der Depolarisation!! Leitungsgeschwindigkeit der Erregung in der Schnürringe wesentlich langsamer als in der Internodien weiterer Vorteil: weniger Na+-K+ ATPase sind nötig (Ionflüsse nur in der Schnürringen) Schädigung der Myelinscheide Verzögerung oder Block der Fortleitung (Sclerosis Multiplex - Demyelinisation) AP EP EP EP AP E m L Demyelinisierung: Verzögerte oder blockierte AP Fortleitung e.g.: sclerosis multiplex 16

17 Registrierung des Aktionspotenzials mit Extrazellulären Elektroden ENG: Electroneurographie EMG: Electromyographie ECG: Electrocardiographie EEG: Electroencephalographie ERG: Electroretinography The Potenzialen können auch als Folge der EP entstehens! a: zweite Elektrode Indifferent, Referenz - Unipolare Ableitung a. b. Reizort b: zweite Elektrode Aktiv - Bipolare Ableitung Proximal (zentral) Summenaktionspotential der gemischten Nerven Reizort Zeit distal Distale Reizung-Proximal Registrierung: Efferenzen: Antidromische Erregungsfortleitung Afferenzen Fasern: Ortodromische Erregungsfortleitung 17

18 Eingang der Neuronen: Dendriten und Zellkörper E m ist bestimmt durch die Summe der erregende und hemmende Einflüsse Elektrotonische Fortleitung, Summationen (Analoge Informationsverarbeitung) Initiales Segment: Entstehung des Aktionspotentials Integrierung der fortgeleitete Potentialveränderungen, Summationen Entscheidungstreffen, Kodierung (EP Amplitude AP Frequenz) Analog Digitale Umwandlung Axon: Fortleitung der Aktionspotentialen (Digital) Keiner Informationsverlust - keines Dekrement ( High Fidelity ) Ausgang: Axonterminal (Presynaptischer Apparat) Freisetzung der Neurotransmitter Molekülen Digital Analog Umwandlung 18

19 Beispiele der Summationsprozesse von elektrotonische (postsynaptische) Potenziale in der neuronen Örtliche (spatial) und zeitliche (temporal) Summation siehe später bei der synaptische Funktionen! Aktionspotenzial Elektrotonisches Potenzial Reizintensität Richtung der Potenzialveränderung Amplitude Erregungsschwelle definiert immer depolarisierend konstant: alles oder nichts Gesetz keine Schwelle (obligat) de- oder hyperpolarisierend (Reizabhängig) Reizabhängig Fortleitung ohne Dekrement mit Dekrement Refrakterität absolute und relative Refraktärphasen keine Refraktärphase Summation keine zeitliche und örtliche Mechanismus spannungsabhängige Ionenkanäle (Na +, K +, Ca2 + ) verschiedene passive Iontransporte Bedeutung Erregungsfortleitung Erregungsfortleitung Postsynaptische Potenziale Rezeptorpotenziale 19