Grundlagen der neuronalen Erregbarkeit & synaptischer Transmission

Das Membranpotenzial

Das Membranpotenzial ist die Spannungsdifferenz zwischen Zellinnerem und Zelläußerem, die durch eine ungleiche Verteilung von Ionen entsteht

• Alle Zellen in unserem Körper (auch Nervenzellen) haben eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen dem Intra- und Extrazellulären Raum

• Meist besteht ein Überschuss negativer Ladung auf der cytosolischen (innere der Zelle) und ein Überschuss positiver Ladung auf der Extrazellulären Seite der Zellmembran

• Dieses Membranpotenzial wird als Ruhepotenzial bezeichnet und liegt bei ca. 70mV (innen - außen)

Nervenzellen zeigen dynamische Änderungen des Membranpotenzials (Abweichung vom Ruhepotenzials) => Grundlage der neuronalen Signalgebung

Was passiert wenn die Membran entfernt wird? (Impermeable = undurchlässig)

Es findet ein Konzentrationsausgleich für beide Ionensorten statt durch Diffusion statt

Überall herscht die gleiche Ionenkonzentration

Wie ändert sich die Ionen-Konzentration in der rechten Hälfte des Gefäß? Semipermeable Membran für K+

Die K+ Konzentration steigt, erreicht aber nicht den Konzentrationsausgleich

K+-Ionen diffundieren gemäß Konzentrationsunterschied (chemischer Gradient) in die rechte Hälfte des Gefäßes

Aufgrund des Überschusses positiver Ladungen auf der rechten Seite und negativer Ladungen auf der linken Seite baut sich eine Potentialdifferenz auf (elektrischer Gradient), die dem weiteren Übertritt von K+ -Ionen entgegenwirkt

Aber wieso kommt es nicht zu einem Konzentrationsausgleich bei einer semipermeablen Membran?

1. K⁺ wandert durch die Membran nach links. Aufgrund des chemischen Gradient

1. Rechts bleiben negative Ladungen zurück → die rechte Seite wird negativer.

2. Links sammeln sich positive Ladungen an → die linke Seite wird positiver.

3. Dadurch entsteht ein elektrischer Gradient, der die K⁺-Ionen wieder nach rechts zieht.

Durch die Nerst´schen Gleichung wir das Potenzial bestimmt für das die betreffende Ionensorte bei gegebener Konzentration auf beiden auf beiden Seiten der Membran im elektrochemischen Gleichgewicht ist

=>Das Nernst-Potential ist die Spannung, bei der sich chemischer und elektrischer Gradient eines bestimmten Ions genau ausgleichen. Dadurch gibt es für dieses Ion keinen Nettofluss mehr durch die Membran.

Im Gleichgewichtszustand:

• Einfluss des chemischen und des elektrischen Gradienten auf die K+-Ionen heben sich gegenseitig auf.

• Elektrochemischer Gradient und Netto-Ionen-Übertritt sind 0.

• Ein Konzentrationsausgleich wird also nicht erreicht.

Das Ruhemembranpotenzial

In der Zelle herrscht eine ähnliche Situation wie im Gedankenexperiment

• Es besteht ein Konzentrationsgradient für K+-Ionen von innen (ca. 155 mM) nach außen (ca. 5 mM)

• Ionen können die Zellmembran nur durch Ionenkanäle überwinden

• Ionenkanäle sind selektiv für eine bestimmte Ionensorte

• Im Ruhezustand sind überwiegend K+-Kanäle geöffnet, d.h. die Zellmembran ist fast ausschließlich permeabel für K+-Ionen

• Aufgrund des Konzentrationsgradienten für K+ von innen nach außen baut sich ein negatives Membranpotenzial auf (Innen negativer als außen)

Bei ausschließlicher Leitfähigkeit für K+-Ionen würde das Ruhemembranpotenzial dem Nernst-Potenzial für K+

entsprechen (ca.– 96 mV, siehe Tabelle links)

Es besteht aber auch eine geringe Leitfähigkeit für Na+-Ionen

• Ruhemembranpotential ist etwas weniger negativ als das K+-Nernst-Potenzial (~ -80 mV)

Natrium-Kalium-Pumpe

• Die Zelle benötigt die Natrium-Kalium-Pumpe, um die Konzentrationsgradienten von Na⁺ und K⁺ aufzubauen und aufrechtzuerhalten.

• Die Pumpe transportiert unter Verbrauch von ATP (=nach Bindung an das Enzym zu ADP) 3 Na⁺ nach außen und 2 K⁺ nach innen – jeweils gegen ihre Konzentrationsgradienten (Zieht Ionen auf die Seite für Konzentrationsausgleich = chemischer Gradient)

• Im Ruhezustand ist die Zellmembran vor allem für K⁺ durchlässig, besitzt aber auch eine geringe Durchlässigkeit für Na⁺.

• Deshalb liegt das Ruhemembranpotenzial nicht genau beim K⁺-Gleichgewichtspotenzial (Nernst-Potenzial), sondern ist etwas weniger negativ.

Warum?

• K⁺ diffundiert aufgrund seines Konzentrationsgradienten überwiegend aus der Zelle heraus.

• Gleichzeitig strömt eine kleine Menge Na⁺ in die Zelle hinein.

• Dadurch entsteht ein Netto-Auswärtsstrom von K⁺, während ständig etwas Na⁺ eintritt.

Bedeutung der Natrium-Kalium-Pumpe

Ohne die Pumpe würden sich die Konzentrationsunterschiede mit der Zeit abbauen:

• Na⁺ würde sich in der Zelle anreichern.

• K⁺ würde aus der Zelle verloren gehen.

• Das Ruhemembranpotenzial könnte nicht dauerhaft aufrechterhalten werden. => Nervenzelle wäre nicht mehr erregbar

Welche Änderungen des Membranpotenzials gibt es? Und durch was werden diese Änderungen Bewirkt?

Wichtig für die neuronale Signalverarbeitung ist die Änderung des Membranpotenzials

• Depolarisation: Vom Ruhemembranpotenzial aus betrachtet wird das Potenzial weniger negativ oder positiv

• Repolarisation: Rückkehr des depolarisierten Membranpotenzials in Richtung Ruhepotenzial

• Hyperpolarisation: Vom Ruhemembranpotenzial aus betrachtet wird das Potenzial negativer

Änderung des Membranpotenzials Wird durch Öffnen oder Schließen von Ionen-Kanälen vermittelt

• Liganden-gesteuerte Ionen Kanäle

• Spannungsabhängige Ionen-Kanäle

Welche Änderung des Membranpotentials erwarten Sie von

1. der Öffnung von Kalium-Kanälen?

2. der Öffnung von Natrium-Kanälen?

3. der Öffnung von Chlorid-Kanälen?

4. der Öffnung von Calcium-Kanälen?

1. es kommt zu einer Hyperpolarisation (negativer) weil positive Ladung nach außen geht

2. Es kommt zu Depolarisation (weniger negativ) weil positive Ladung nach innen kommt

3. Es kommt zur Hyperpolarisation (negativer) weil negative Ladung nach innen kommt

4. Es kommt zu Depolarisation (weniger negativ) weil positive Ladung nach innen kommt

Innen sollte immer negativer sein deswegen:

Negative Ladung rein Positive Ladung raus => Hyperpolarisation

Negative Ladung raus Positive Ladung rein=> Depolarisation

Was versteht man unter dem Aktionspotenzial?

Das Aktionspotenzial ist das zentrale Element der neuronalen Signalgebung

In Zeitverlauf und Amplituden relativ festgelegte schnelle Abfolge

• Depolarisation mit kurzfristiger Umpolung des Membranpotenzial

• Repolarisation

• Hyperpolarisation

• Rückkehr zum Ruhemembranpotenzial (ca. -70mV)

Welche Ionenkanäle sind beim Aktionspotenzial beteiligt und was bewirken sie?

Spannungsabhängige (schnelle) Natrium-Kanäle

• öffnen bei einer depolarisation beim Schwellenwerte (ca. -65mV)

• Öffnungen weniger Kanäle führt zur weiteren depolarisation und damit zur Öffnung quasi aller schnellen Na+-Kanälen (alles oder nichts Gesetz)

• Innerhalb von Bruchteilen einer ms Depolarisation bis +30mV

• Die Kanäle inaktivieren zeitabhängig innerhalb weniger ms

• Die Kanäle müssen deutlich deutlich Hyperpolarisation werden zum erneut erregbar zu werden

Spannungsabhängigen Kalium-Kanäle

• Öffnen sich bei depolarisation ohne präzisen Schwellenwert und zeitversetzt zu den schnellen Natrium-Kanälen

• Öffnung führt zu einer Repolarisation und Hyperpolarisation (essentiell für erneute Erregbarkeit der Natrium-Kanäle)

• Sie inaktivieren zeitabhängig und durch selbst ausgelöste Hyperpolarisation

Die entsprechenden Ionenverschiebungen sind relativ klein, Konzentrationen von Na+ und K+ bleiben im Verlauf des Aps quasi konstant

AP-Weiterleitung Myelinisiertes Axon & nicht-myelinisiertes Axon

Nicht-myelinisierte Axone leiten kontinuierlich, weil an jedem Membranabschnitt ein neues Aktionspotential entstehen muss. Myelinisierte Axone leiten saltatorisch, weil die Erregung unter den Myelinscheiden passiv weitergeleitet und nur an den Ranvier’schen Schnürringen aktiv regeneriert wird. Dadurch erfolgt die Weiterleitung deutlich schneller und energieeffizienter.

Chemische vs. Elektrische Synapse

Chemische Synapse haben eine leichte Verzögerung

Elektrische kaum eine Verzögerung

Struktur der chemischen Synapse

Unterschied zwischen Ionotrope & metabotrope Rezeptoren

Ionentrope Rezeptoren sind Liganden gesteuerte Ionen Kanäle

1. Neurotransmitter bindet sich an den Rezeptor

2. Ionenkanal öffnet sich

3. Ionen strömen

4. Membranpotenzial ändert sich sofort

Metabotrope Rezeptoren Rezeptoren initiieren biochemische Reaktionen

1. Neurotransmitter bindet an den Rezeptor.

2. Ein G-Protein wird aktiviert.

3. Intrazelluläre Botenstoffe (Second Messenger) werden gebildet.

4. Diese öffnen Ionenkanäle

5. Ionen strömen

Schritte der Übertragung an der chemischen Synapse

1. Herstellung des Neurotransmitters

↓

2. Speicherung in Vesikeln

↓

3. Ausgetretene Transmitter werden abgebaut

↓

4. AP kommt an → Exozytose

↓

5. Bindung an Autorezeptoren (Regulation)

↓

6. Bindung an postsynaptische Rezeptoren

↓

7. Wiederaufnahme oder Abbau

Neurotransmitter-Klassifikation

Ein Neuron setzt in der Regel nur einen (Haupt) Neurotransmitter frei

• der Wichtigste exizatorische Neurotransmitter im ZNS: Glutamat

• Der Wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im ZNS: GABA

• Glutamat exzitatorische Neurotransmitter bewirken eine depolarisation des postsynaptischen Membranpotentials

• GABA inhibitorissche Neurotransmitter bewirken eine Re-/Hyperpolarisation des postsynaptischen Membranpotenzials

• Exzitaorisches postsynaptischen Potential EPSP

• Inhibitorisches postsynaptisches Potential IPSP

Es kann zu einer zeitliche als auch räumliche Summierung von Neurotransmittern kommen

EPSP und IPSP Neutralisieren sich gegenseitig dh. Der Schwellenwert wird nicht erreicht und kein Aktionspotenzial erzeugt

EPSP unterschiedlichen Neuronen feuert gleichzeitig → Schwellenwert überschreiten und ein Aktionspotenzial erzeugen

ESPS ein Neuron feuert mehrfach hintereinander → Schwellenwert überschritten werden und ein AP erzeugt werden

Neurotransmitter Klassifikation 2