Aktionspotential Na + -Kanal
VL.2 Prüfungsfragen: Unter welchen Bedingungen entsteht ein Ruhepotential in einer Zelle? Wie ist ein Neuron im Ruhezustand geladen und welchen Wert (mit Benennung) hat das Ruhepotential? Erklären Sie was eine Depolarisation ist. Erklären Sie was eine Hyperpolarisation ist. Nennen Sie die Nernst-Gleichung und erklären Sie was sie beschreibt. Welche intrazelluläre Konzentration hat Calcium in einem nicht erregten Neuron? Ist die Kaliumionenkonzentration intrazellulär im Neuron höher als extrazellulär? Ist die Natriumionenkonzentration intrazellulär im Neuron höher als extrazellulär? Ist die Calciumionenkonzentration intrazellulär im Neuron höher als extrazellulär? Welche Kräfte steuern den Ionenfluß über die Membran eines Neurons? Zeichnen sie die Strom-Spannungskennlinie eines Natriumkanals. Wo etwa liegt das Umkehrpotential eines Kaliumkanals?
GLIEDERUNG - Passive elektrische Membran-Eigenschaften - Ströme des APs - Weiterleitung des APs
Die elektrische Ladung ist eine fundamentale Eigenschaft der Materie, man weiß nicht warum/wieso sie entstanden ist, man kann nur beschreiben, wie sie sich verhält Physik!
Glasstab an Seide reiben: Glasstab positiv geladen Plastikstab an Fell reiben: Plastikstab negativ geladen 10 (ca. 10 Elektroden vom Fell auf den Stab übergegangen) Elektronen besitzen negative Elementarladung: -e Protonen besitzen positive Elementarladung: +e -19 e = 1,60 x 10 C
Durch Ionenkanäle biologischer Membranen fließen Ionen (Michael Faraday: cations anions), nicht Elektronen! Salze, wie NaCl und KCl dissoziieren in der wässrigen Lösung unserer Körperflüssigkeiten
Elektrische Phänomene entstehen, wenn Ladungen entgegengesetzten Vorzeichens voneinander getrennt werden. Der dabei entstehende Stromfluss (I) wird in Ampere (1A = 1 Coulomb/sec) gemessen. I = Q / t Stromfluss = Ladungsmenge pro Zeit Membranen trennen Ladungen! Die Membran kann als Widerstand beschrieben werden, verhält sich aber auch wie ein Kondensator, da sie Ladungen speichert.
Die potentielle Energie eines Teilchens in einem elektrischen Feld ist proportional zur Ladungsmenge (Q; Einheit: Coulomb) Q = C x U Ladungsmenge = Kapazität mal Spannung (Einheit: V) Q = I x t = Stromstärke (Einheit: A) mal Zeit C = Kapazität ist ein Proportionalitätsfaktor, gibt an wieviel Ladungen pro Spannung vom Kondensator gespeichert werden können
Im Gleichgewichtszustand haben Neurone ein Ruhepotential. Sie sind hyperpolarisiert (= innen negativ geladen).
Das Ruhepotential liegt in der Nähe des Kalium- Gleichgewichtpotentials. Es entsteht in einer Zelle, die große Anionen enthält, die nicht durch die Membran diffundieren können (semipermeable Membran), durch das Öffnen von Kaliumkanälen.
Die Nernst-Gleichung beschreibt das Gleichgewichtspotential für ein Ion, das durch eine semipermeable Membran ungleich verteilt ist. E K = (R T / n F) x ln ([K]o / [K]i) E K = 2,303 (RT/nF) x log10( [K]o / [K]i)
Die Goldmann-Gleichung beschreibt das Gleichgewichts-Potential für mehrere, durch eine semipermeable Membran, ungleich verteilte Ionen. Eions = (RT/nF) ln { (pk [K+]o + pna [Na+]o + pcl [Cl-]i) / (pk [K+]i + pna [Na+]i + pcl [Cl-]o)
Die Potentialdifferenz U = der Spannungsabfall zwischen zwei Punkten. Die Stromstärke I ist proportional zur Potentialdifferenz zwischen den Enden eines Leiters Ohmsches Gesetz R = U / I I = U / R I = Strom [1 Ampere A = 1 Coulomb pro sec I = Q / t (Ladungen pro Zeit)] G = Leitfähigkeit = 1/R [1 Siemens] R = Widerstand [ 1 Ohm] U = Spannung [1 Volt]
Stromfluss wird definiert als Bewegung positiver Ladungen (Kationen) zur negativen Elektrode (Katode) MERKE: Stromfluss immer von Plus nach Minus! In der Biologie fliessen immer Ionen, nicht Elektronen! Ionen sind Salze, die in wässrigen Lösungen, den Körperflüssigkeiten des Organismus dissoziieren
Passive elektrische Eigenschaften von Membranen Der Membranwiderstand (resistance = R) ist ein Mass für die Undurchlässigkeit gegenüber Ionen, während die Leitfähigkeit (conductance = g = 1/R) ein Mass für die Durchlässigkeit gegenüber Ionen ist. Vm = I x R Das Ohmsche Gesetz Vm = der Spannungsabfall (in Volt = V) über einer Membran I = der Strom (in Ampere = A) der über eine Membran fließt R = der Widerstand (in Ohm = ) g = die Leitfähigkeit (in Siemens = S)
der spezifische Widerstand (Rm) einer Membran ist direkt proportional zur Membranfläche (A). Rm = R x A
Eine Membran verhält sich auch wie ein Kondensator, da die Lipid-Doppelschicht innere und äußere Elektrolyte voneinander isoliert. C = Q / E C = die Kapazität (in Farad = F) gibt an wieviel Ladung (Q) von einer Kondensator- Platte zu der anderen transferiert werden muss, um eine bestimmte Potentialdifferenz ( E) aufzubauen. Q = die Ladungsmenge (in Coulomb = C) wobei die Elementarladung eines Protons -19 qe = 1,6 x 10 C E = Potential 2 die spezifische Membrankapazität = 1,0 µf/µm
Tafelbild: equivalent circuit of cell membrane Eckert pp 150; Hille pp 11;
Die Membrankapazität verlangsamt den Spannungsabfall (= de / dt) über der Membran, beim Fluss von Ionen durch Ionenkanäle. de / dt = Ic / C = - E / RxC de/dt Ic I = Spannungsabfall über der Membran = der Strom der den Kondensator aufläd, = Stromstärke = Q/t =Ladung pro Zeit E = Eoe -t/rc
E = Eoe -(t/rc) Zu einem Zeitpunkt 0 ist der Kondensator mit einem Potential von Eo aufgeladen. Dann beginnt er sich durch einen parallelen Widerstand zu entladen. Ladung und Spannung fallen exponential ab. Alle RxC Sekunden fallen sie auf 1/e (= 0,367) ihres vorhergehenden Wertes ab.
Für biologische Membranen gilt: das Produkt von Membran- Widerstand und Membrankapazität (= RMCM) wird die Membran-Zeitkonstante = M genannt. M = 10 µs bis zu 1s, abhängig von der Anzahl der offenen Ionenkanäle im Ruhezustand
Membran-Kondensator wird durch Strominjektion aufgeladen: die Membran-Zeitkonstante (RC) gibt die Zeit in sec an, nach der die Amplitude des Membranpotentials auf ca. 37% des Ausgangswertes abgesunken ist.
Die Längskonstante (λ; cm) der Membran gibt an, nach welcher Strecke das Membranpotential auf den e-ten Teil (37%) des Ausgangswertes abgefallen ist Ux = U0 e -(x/λ)
Längskonstante = Lambda (λ; cm) a = Radius λ = rm / ri + ra λ = π a Rm / Ri 2π a
a = Radius der Faser Rm = spezifischer (Trans-) Membranwiderstand Ri = spezifischer (Innen-) Widerstand des Cytoplasmas Kreisumfang = 2 a π Kreisfläche = a a π
Zusammenfassung: Die passiven elektrischen Eigenschaften einer Membran können durch einen Schaltkreis beschrieben werden, in dem ein Widerstand und ein Kondensator parallel geschaltet sind. Zusammen bewirken sie, dass die Zelle auf Strominjektion eine charakteristische, zeitabhängige Antwort zeigt, die vom Membranwiderstand und der Kapazität abhängen und von der Zeitkonstante und der Längskonstante (Lamda) der Membran beschrieben werden.
Das Aktionspotential
Das Aktionspotential absolute Refraktärzeit relative Refraktärzeit
1. aktivierbar geschlossen (Ruhezustand) 2. offen (aktiviert) depolarisiert hyperpolarisiert 1 ms Der spannungsabhängige Na + -Kanal 3. refraktär (inaktiviert) Kandel et al (2000) Principles of Neural Science
Der spannungsgesteuerte Na-Kanal kommt in drei Zuständen vor: 1. aktivierbar geschlossen (Ruhezustand, m-gate closed) 2. bei Depolarisation > - 40 mv: offen (m-gate open) 3. (< 1 ms) inaktiv, refraktär, (h-gate closed)
MERKE: der inaktivierte Na-Kanal kann erst nach einer Hyperpolarisation wieder in den Ruhezustand (geschlossen aktivierbar) übergehen!
Der Na + -Kanal Kandel et al. (1996) Neurowissenschaften
Na + -Kanal Ca 2+ -Kanal K + -Kanal (Untereinheit) Kandel et al. (1996) Neurowissenschaften
Aktionspotentiale verschiedener Präparate Penzlin (2005) Lehrbuch der Tierphysiologie
Unterteilung von Wirbeltiernervenfasern nach Leitungsgeschwindigkeit A-Fasern (myelinisiert) (alpha) 13 μm 70-120 m/s (beta) 8 μm 30-70 (gamma) 5 μm 15-30 (delta) <3 μm 12-30 B-Fasern (myelinisiert) 3 μm 3-15 C-Fasern (nicht myeelinisiert) <1 μm 0,5-2
Na+-Kanal-Blocker: Tetrodotoxin (TTX) aus inneren Organen des japanischen Kugelfisches; Saxitoxin (STX) aus marinen Dinoflagellaten, in Muscheln (Saxidomus) konzentriert; Lidocain = Lokalanästhetikum Veratridin blockt die Inaktivierung des Na+-Kanals
Skorpiongifte Na+-Kanalaktivierung, Schmerzrezeptoren aktiviert, Katecholaminfreisetzung: adrenerge und cholinerge Rezeptoren stimuliert Heterometrus scaber: wenig giftig Centruroides sculpturratus sehr giftig Deutsches Ärzteblatt 1999 Je kräftiger der Schwanz im Vergleich zu den Scheren, desto giftiger ist der Skorpion