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Physio I Neurophysiologie Fachschaft Zahnmedizin Münster
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Physio I
Neurophysiologie
Fachschaft Zahnmedizin Münster
II
1te Auflage – 2016
III
Zusammenfassung: Physiologie I
Inhalt Zusammenfassung: Physiologie I ............................................................................................................. I
Inhalt....................................................................................................................................................... III
DIE ZELLE ................................................................................................................................................. 1
Plasmamembran ................................................................................................................................. 1
Membranproteine ........................................................................................................................... 1
Transportwege durch die Zellmembran .............................................................................................. 2
Chemische Triebkraft: Diffusion ...................................................................................................... 2
Elektrochemische Triebkraft ........................................................................................................... 2
Membrantransportproteine ............................................................................................................ 3
Patch-Clamp-Technik ........................................................................................................................... 6
Ionengradienten zwischen Extra- und Intrazellulärflüssigkeit ............................................................ 6
MEMBANPOTENTIAL UND SIGNALÜBERTRAGUNG IN ZELLVERBÄNDEN ............................................... 7
Plasmamembran ................................................................................................................................. 7
Ionengradienten und Ruhepotential ................................................................................................... 7
Ruhemembranpotential ...................................................................................................................... 8
Aktionspotential .................................................................................................................................. 9
Ablauf .............................................................................................................................................. 9
Refraktärzeit .................................................................................................................................. 10
Fortleitung ..................................................................................................................................... 10
Medizinischer Nutzen: ................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Spannungsabhängige Natriumkanäle ......................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Spannungsabhängige Kaliumkanäle ........................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
KLINK: Pharmakologische Modulation von Ionenkanälen ......... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Synapse ............................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Präsynapse...................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Synaptische Vesikel ........................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Postsynapse .................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Rezeptor ......................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Ionotroper Rezeptor = ligandengeschalteter Inonenkanal ........ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Metabotroper Rezeptor /7-Transmembran-Domänen-Rezeptor .............. Fehler! Textmarke nicht
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IV
Transmitter ..................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Wichtige intrazelluläre Botenstoffe ........................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Synaptische Erregung ..................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Synaptische Hemmung ................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Integration synaptischer Signale .................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
KLINIK ............................................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Entmarkungs-Erkrankungen ....................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Gliazellen ............................................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Zentrale Glia ................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Astrozyten .................................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Oligodendrozyten ....................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Mikrogliazellen ........................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
MUSKULATUR ..................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Skelettmuskulatur .............................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Skelettmuskeltypen ........................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Aufbau ............................................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Kontraktionsmechanismus ............................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Neuromuskuläre Erregungsübertragung .................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Querbrückenzyklus ..................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Muskelerschlaffung (Relaxation) ................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Formen der Muskelkontraktion ..................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Muskelmechanik ............................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Muskelenergetik ............................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Glatte Muskulatur .............................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Aufbau ............................................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Unterschiede zur Skelettmuskulatur .............................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Kontraktion der glatten Muskelzelle .............................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Querbrückenzyklus ..................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Regulation und Modulation der Kontraktion ............................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Elektromyogramm EMG ..................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
MOTORIK ............................................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Motorischer Kortex ........................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Afferenzen und Efferenzen des motorischen Kortex ................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Die motorischen Systeme des Rückenmarks und des peripheren Nervensystems Fehler! Textmarke
nicht definiert.
V
Motoneurone ............................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Messung des Muskelstatus und Weiterleitung der Information ............... Fehler! Textmarke nicht
definiert.
Reflexe ........................................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Elektroenzephalografie EEG ............................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Auswertung .................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Schlafstadien .................................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
VEGETATIVES NERVENSYSTEM = AUTONOMES NERVENSYSTEM ...... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Sympathikus ................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Parasampathikus ............................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Rezeptoren ..................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Cholinerge Rezeptoren ............................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Adrenerge Rezeptoren ............................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Medikamentöse Beeinflussung der vegetativen Steuerung .......... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Sympatho-, bzw. Parasympathomimetika ................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Sympathi-, bzw. Parasympatholytika ......................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
BLUT-HIRN-SCHRANKE ....................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
SOMATOVISZERALE SENSORIK ........................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Modalitäten und Qualitäten ........................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Mechanismen der Reizaufnahme und Umwandlung ..................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Räumliches Auflösungsvermögen und Sinnesphysiologie ............. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Sensible Bahnsysteme des ZNS ...................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Hinterstrangbahn ....................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Vorderseitenstrangbahnen ........................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
kortikothalamische System ........................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Tastsinn / Mechanorezeptoren ...................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Drucksensoren ............................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Berührungssensoren .................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Vibrationssensoren ..................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Thermozeption ............................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Propriozeption (Tiefensensibilität) ................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Nozizeption und Schmerz ............................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Nozizeptoren .............................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Parakrine Funktionen nozizeptiver Fasern ................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Entzündungsmediatoren ............................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
VI
Transduktionsmechanismen an Nozizeptoren ........................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Schmerzeinteilung nach Entstehungsort .................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Formen des Schmerzes ............................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Spinale und supraspinale Organisation von Nozizeption und Schmerz ..... Fehler! Textmarke nicht
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Pharmakologische Schmerzhemmung / Schmerztherapie ........ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Klinik: Störung der Nozizeption .................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
CHEMOSENSIBILITÄT .......................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Geschmackssinn ............................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Geschmacksensoren ................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Gustatorische Transduktion ....................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Geschmacksbahn ........................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Geruchssinn .................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Olfaktorische Transduktion ........................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Riechbahn ................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Geruchssensoren ........................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Klinik: Störungen des Geruchssinns ........................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Der trigenminale chemische Sinn: .............................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
AUDITORISCHES SYSTEM UND GLEICHGEWICHTSSINN ..................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Der Gehörgang und das äußere Ohr .............................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Das Corti Organ .......................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Schallübertragung zum Innenohr ................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Formen der Schallleitung ........................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Hörprüfungen ............................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Signaltransduktion und Reiztransduktion (Wanderwellentheorie) ............... Fehler! Textmarke nicht
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Signaltransduktion: ..................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Reiztransduktion ......................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Die zentrale Hörbahn ..................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Richtungs- und Entfernungshören ............................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Gleichgewichts und Lagesinn ......................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Peripheres Vestibularorgan ........................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Zentrales vestibuläres System .................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Funktionsprüfungen ................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
VISUELLES SYSTEM ............................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
VII
Grundlagen: Optik .......................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Das Auge ......................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Dioptrischer Apparat .................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Refraktionsanomalien ................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Physiologische Abbildungsfehler ................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Ophtalmoskopie ......................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Visus............................................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Augeninnendruck ....................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Augenbewegung ......................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Pupille ......................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Retina.......................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Zentrale Sehbahn und kortikale Repräsentation ........................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Verlauf der Sehbahn: .................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Gesichtsfeld ................................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Räumliches Sehen (Tiefenwahrnehmung) ................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
GEDÄCHTNIS ....................................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
2 Gedächtnissysteme ..................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Deklaratives, explizites Gedächtnis ............................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Nicht- Deklaratives, implizites Gedächtnis ................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Gedächtnisbildung .......................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Sensorisches Gedächtnis ............................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Kurzzeitgedächtnis ..................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
Langzeitgedächtnis ..................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
KLINIK: ........................................................................................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Molekulare Mechanismen der synaptischen Plastizität ................ Fehler! Textmarke nicht definiert.
Langzeitpotenzierung ................................................................. Fehler! Textmarke nicht definiert.
Langzeitdepression ..................................................................... Fehler! Textmarke nicht definiert.
VIII
1
DIE ZELLE
Plasmamembran
Plasmamembran: besteht aus einer Doppelschicht von Lipiden (z.B. Phosphatidylcholin) und
trennt den Intra- vom Extrazellulärraum.
Aufbau: Die amphiphilen Membranproteine ordnen sich so an, dass in der Membranmitte
die apolaren (hydrophoben) Kohlenwasserstoffketten der Fettsäurereste gegenüber stehen
und die polaren (hydrophilen) Kopfgruppen in die wässrige Lösung hineinragen. Neben
Lipiden enthält die Membran Proteine (Membranproteine) und Kohlenhydrate (Glykokalix)
Die Plasmamembran regelt die Kommunikation und den Stoffaustausch zwischen den
Kompartimenten (Membranproteine)
Die Plasmamembran bildet eine Diffusionsbarriere
Selektive Permebilität:
o Ionen (Kationen/Anionen): schlecht/geringe Permeabilität (auf Grund der großen
Hydrathüllen). Aus der ungleichmäßigen Verteilung der einzelnen Ionen im Intra- und
Extrazellulärraum ergibt sich ein
Chemischer Gradient, aber insgesamt Isotonie
Elektrischer Gradient, aber Elektroneutralität in jedem Kompartiment
o Wasser, hydrophile Moleküle: Durch die Hydrophobizität der Membran können
Ionen, Wasser und hydrophile Moleküle die Membran nicht überwinden
o Lipophile Moleküle, Gase: Können die Membran durch einfache Diffusion
überwinden
Die Plasmamembran bildet einen elektrischen Isolator
Membranproteine
Integrale Proteine/Transmembranproteine
o durchspannen die Plasmamembran vollständig
o bilden die Grundlage für elektronische Signalwege
o Beispiel: Ionenkanäle, Carrierproteine, Pumpen (ATPasen), Rezeptorproteine
Periphere Proteine
Glykokalix
2
Transportwege durch die Zellmembran
Die Plasmamembran erlaubt den selektiven Transport von Substanzen in die Zelle hinein
und aus der Zelle heraus
Die Plasmamembran ist für bestimmte Substanzen permeabel
o Hydrophile Substanzen (z.B. Ionen, Glucose) können die Plasmamembran nur mit
Hilfe spezieller Membrantransportproteine überwinden
o Lipidlösliche Substanzen und Gase können durch Diffusion
Chemische Triebkraft: Diffusion
Diffusion durch die Lipidschicht ist ein wichtiger Transportmechanismus für sehr kleine
Moleküle wie Gase oder lipidlösliche Moleküle
Pro Zeiteinheit über die Lipidmembran transportierte Stoffmenge ist abhängig von
o Der zur Verfügung stehenden Fläche
o Konzentrationsunterschieds des Stoffes auf beiden Seiten der Membran
o Permeabilität der Lipidmembran für den zu transportierenden Stoff
(proportionalitätsfaktor P)
1. Fick-Diffusionsgesetz: Jdiff= P * A * Δc [ 𝑚𝑜𝑙
𝑠∗𝑚²]
o Hochpermeable Substanzen passieren die Membran mit großer Geschwindigkeit
Elektrochemische Triebkraft
Die elektrochemische Triebkraft setzt sich aus 2 Komponenten zusammen
o Transmembraler Konzentrationsgradient des gelösten Teilchens = Chemische
Triebkraft
o Elektrische Triebkraft geladener Teilchen (z.V. Ca2+, K+, Cl-) abhängig von der
elektrischen Potentialdifferenz zwischen Außen- und Innenseite der Membran =
elektrische Triebkraft
Elektrochemisches Gleichgewicht: Triebkräfte für Influx (Einströmen) und Eflux
(Ausströmen) sind gleich groß, chemische und elektrische Triebkraft sind gleich groß, aber
entgegengesetzt
Nernst Gleichung und Gleichgewichtspotential
Am Gleichgewichtspotential ist die elektrische Triebkraft und chemische Triebkraft gleich
groß aber entgegengesetzt gerichtet
Ek=−𝟔𝟏 𝒎𝑽
𝒛 x log
[𝑲]𝒊
[𝑲]𝒆
EK = Gleichgewichtspotential, z = Wertigkeit,
3
Membrantransportproteine
Wassserkanäle = Aquaporine
Wasserpermeabilität der Zellmembran kann je nach Zelltyp sehr unterschiedlich ausgeprägt
sein
o Erythrozyten + Nerventekken: hohe Permeabilität
o Tubulusepithelzellen der Niere: fast undurchlässig
Membranproteine bilden hochspezifische Wasserkanäle in der Zellmembran aus, um den
druchtritt der polaren Wassermoleküle zu ermöglichen = Aquaporine
Im Körper gibt es keine Wasserpumpen – Wasser kann nur dadurch gerichtet transportiert
werden, dass primär-/sekundär-aktive Transportprozesse einen osmotischen Gradient
schaffen, dem das Wasser passiv folgt
Ionenkanäle
Ionenkanäle sind selektive und komplex regulierte Poren in der Zellmembran, die den
transmembranen Transport von Ionen ermöglichen
Hohe Transportrate im aktivierten Zustand
Aufbau: Transmembranproteine aus mehreren Peptid Untereinheiten (Domänen) und
akzessorischen Proteinen, die durch die Lipiddoppelschicht reichen und sich so anordnen,
dass sie einen Kanal umschließen
Funktion: selektive Permeabilitätsänderung der Plasmamembran
o Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit der Zelle
Ionenkanaldichte in der Zellemembran variiert je nach Kanal- und Zelltyp.
Hohe Ionenselektivität
Ionenkanäle lassen einen Ionenfluss durch die Membran nur intermittierend zu: Sie schalten
also ständig zwischen einem Offen- und Geschlossenzustand hin und her
Vielfalt + Lokalisation der Ionenkanäle begründet die Vielfalt und Spezifität der
Aktivitätsmuster Grundlage der Signalverarbeitung
4
Typen von Ionenkanäle
Spannungsgesteuerte Ionenkanäle
o Öffnung/Schluss ist abhängig vom Membranpotential
o Beispiel: schneller Na+-Kanal, der in Neuronen und Muskelzellen entscheidend zur
Entstehung des Aktionspotentials beiträgt
Ligandengesteuerte Ionenkanäle (ionotrope Rezeptoren)
o Kanal dient selbst als Rezeptor für die sie aktivierenden Liganden (z.B.
Neurotransmitter = ionotrop
o Vorgang:
Botenstoff bindet an den Rezeptor, Ionenkanal wird geöffnet
Schnelle, direkte Wirkung, ortsgenau
2 Wirkungsrichtungen/Polaritäten
Exzitatorisches postsynaptisches Potential EPSP
Inhibitorisches postsynaptisches Potential IPSP
o Beispiel: nicotinische Acetylcholinrezeptor, der durch den Liganden Acetylcholin
direkt aktiviert wird und damit an den Synapsen und an der motorischen Endplatte
ein chemisches in ein elektrisches Signal verwandelt
Rezeptorgekoppelte Ionenkanäle (metabotrope Rezeptoren)
o ein separater Rezeptor befindet sich in enger funktioneller Assoziation mit dem
Ionenkanal. Die Rezeptoraktivierung führt erst indirekt (z.B. über Biomoleküle) zu
einer Aktivierung der Ionenkanäle = metabotrop
o Vorgang:
G-Protein gekoppelt
G Protein wirkt auf 2. Botenstoffe (second messenger)
2nd Messenger wirkt auf Effektoren (z.B. Enzyme, Ionenkanäle)
Langsame Wirkung, Kaskade von Antworten
Konstitutive aktive ( komplex regulierte Ionenkanäle)
o Beispiel: konstitutiv aktive K+-Kanäle, die für die Aufrechterhaltung des
Ruhemembranpotentials verantwortlich sind
o Beispiel: epitheliale Natriumkanal (ENaC)
Ionenkanalmutationen
Ionenkanalerkranungen (Kanalpathien), z.B. Mutation der Na+ Kanäle kann zu
Krampfanfällen und Epilepsie führen (wobei Epilepsie multifaktoriell bedingt ist)
5
Carrier
Carrier sind integrale Membranproteine, die Substrate binden und sie durch die
Plasmamembran befördern
Carrier nutzen den Ionengradienten/elektrochemische Triebkraft eines Substrats, um ein
anderes Substrat entgegen seinem elektrochemischen Gradienten bergauf zu transportieren
Kein direkter ATP Verbrauch, langsamer Transport (Regenerierung der Ionengradienten)
Der Transport mit Hilfe von Carrierproteinen kann elektrogen oder elektroneutral erfolgen –
je nachdem ob der Transport mit oder ohne Nettoverschiebung von Ladung über die
Membran erfolgt
Sekundär-aktiver Transport: Transport entgegen des elektrochemischen Gradienten bei
indirekter Spaltung von ATP durch einen primär aktiven Transportvorgang (z.B: Na+/K+
ATPase)
Sättigbarkeit: da die Bindungsreaktion durch die Affinität zwischen Protein und Substrat
charakterisiert ist und die Anzahl der Bindungsstellen limitiert ist, ist im einfachsten Fall mit
einer Sättigungsabhängigkeit zu rechen ( Michaelis-Menten-Gleichung)
Man unterscheidet
o Symporter (Kotransporter)
Gemeinsamer Transport mehrerer Substrate in die gleiche Richtung
Beispiel: Glucose-Na-Symport
o Antiporter (Austauscher)
Substrate des Transporters werden im Austausch in entgegengesetzte
Richtung über die Membran transportiert
Beispiel: Cl-/HCO3- Austauscher; Ca-Na-Antiport
o Uniporter:
bindet nur ein Substrat, das entsprechend seinem elektrochemischen
Gradienten im Sinne einer erleichterten Diffusion
Beispiel: Na+-unabhängige Glucosetransporter der GLUT Familie
Pumpen
Ionenpumpen sind Membrantransportproteine, die direkt ATP verbrauchen und dabei Ionen
transportieren
Primär-aktiver Transport: Arbeiten aktiv gegen den Ionengradienten und verbrauchen ATP
elektrogen
Ionenpumpen erzeugen Ionengradienten (treiben Carriersysteme sekundär aktiv!) und
leisten Beitrag zum neg. Membranpotential
Beispiel: Na/Ka-Pumpe:
o Pro Pumpzyklus werden 3 K+ ins Zellinnere für 2 Na+ nach extern transportiert,
o ubiquitäres Vorkommen
o Aktivierung durch intrazelluläres Na+ und extrazelluläres K+
o elektrogener Transportmechanismus, da eine Nettoverschiebung von elektrischer
Ladung stattfindet. Geringfügiger Beitrag (5-10 mV) zum negativen
Ruhemembranpotential der Zellen
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Patch-Clamp-Technik
Ermöglicht die Beobachtung einzelner Ionenkanäle und biophysikalische Analyse von
Ionenkanälen, eine Messung ihrer Einzelkanalleitfähigkeit, ihrer Schaltkinetik und ihrer
Regulation
Vorgehensweise:
o Eine feine Glaspipette (Spitzendurchmesser 0,3-3,μm) wird auf die Zellmembran
aufgesetzt und angepresst. Dann wird ein kleines Areal (Patch) der Zellmembran mit
negativem Druck etwas in die Pipettenöffnung hineingesaugt.
o Durch enge Interaktion der Glasoberfläche mit der Zellmembran entsteht ein sehr
hoher Abdichtungswiderstand der den Membranflecken elektrisch isoliert. Nun
lassen sich Ströme durch den isolierten Membranflecken messen.
o Das Membranareal in der Pipette sehr klein ist, befinden sich in dem untersuchten
Membranstück nur wenige Ionenkanäle
Ionengradienten zwischen Extra- und Intrazellulärflüssigkeit
Unterschiedliche Ionenzusammensetzung der Extra- und Intrazellulärflüssigkeit ist von
elementarer Bedeutung für die Funktion der Zelle
Elektroneutralität: in einer Lösung ist die Summe der positiven Ladungen stehts gleich der
Summe der negativen Ladungen
Isotonie:
Na+/K+ ATPase
o Na+-Konzentration: EXTRAZELLULÄR HOCH!, intrazellulär gering
o K+-Konzentrazion: extrazellulär gering, INTRAZELLULÄR HOCH!
o Entgegengesetzt gerichteten Konzentrationsgradienten werden durch die
kontinuierliche Pumpleistung der Na+/K+-ATPase ausgebaut
o Die Pumpe transportiert kontinuierlich Na+ aus der Zelle, K+ in die Zelle
o Die Membran ist auf Grund einer hohen Dichte und Aktivität von K+Kanälen
überwiegend für K+ permeabel
o Akkumulation von K+ in der Zelle Zellmembran entspricht annähern dem K+
Gleichgewichtspotential
Cl- ist EXTRAZELLULÄR das häufigste Anion, anionische Proteine und Phosphate
INTRAZELLULÄR
Die meisten Zellen weisen ein Membranpotential im Bereich von -50 - -80mV auf, die
Zytosolseite ist negativ gegenüber dem Extrazellulärraum geladen. Entstehung:
Ungleichverteilung der Ionen (insbesondere K+) + dominierende K+-Leitfähigkeit
Intrazellulär [mM] Extrazellulär [mM]
Na+ 10 120
K+ 120 2
Cl- 4 120
Protein-Anion A- 120 10
Ca2+ 10-4 3
7
MEMBANPOTENTIAL UND SIGNALÜBERTRAGUNG IN ZELLVERBÄNDEN
Plasmamembran
Funktion: Abgrenzung Zelle gegenüber ihrer Umgebung, Homöostase
Selektive Permeabilität ermöglicht einen elektrischen Potentialgradienten (unterschiedliche
Ionenkonzentrationen intra- und extrazellulär)
Polarisierung wird genutzt, um Signale u übertragen und Substanzen entlang des
elektrischen Feldes zu transportieren
Plasmamembranen sind lipophil. Sie stellen eine Diffusionsbarriere für Ionen und andere
polare Moleküle dar
Plasmamembranen haben einen hohen elektrischen Widerstand. Kleine Ionenströme
können große Spannungsänderungen auslösen
Plasmamembranen haben eine hohe spezifische Kapazität, d.h. jede elektrische
Spannungsänderung erfordert die Verteilung von Ladungen auf der Membranoberfläche
zeitaufwendiger Prozess, Abschwächung der elektrischen Signal bei der Weiterleitung
Ionengradienten und Ruhepotential
Das Ruhemembranpotential entsteht aus der ungleichen Verteilung von Ionen zwischen
Intra- und Extrazellulärraum. Herausragende Rolle kommt den K+-Ionen zu.
Das elektrochemische Potential für ein Ion ist durch den Abstand des aktuellen
Membranpotentials vom Gleichgewichtspotential gegeben
Bei jeder Erhöhung der Permeabilität für eine bestimmte Ionenart (z.B. durch Öffnung
selektiver Ionenkanäle) nähert sich das Membranpotential dem Gleichgewichtspotential der
jeweiligen Ionenart
Depolarisation: Verschiebung des Membranpotentials von einem gegebenen zu positiveren
Werten
Hyperpolarisation: Verschiebung des Membranpotential von einem gegeben zu einem
negativeren Wert
K+-Ionen
Die Na+/K+ ATPase ist ubiquitär aktiv, K+ wird im Inneren der Zelle angereichert. (Die Pumpe
transportiert mit jedem Pumpvorgang 3 K+ Ionen nach intrazellulär, 2 Na+ Ionen nach
extrazellulär)
Chemische Triebkraft:Für K+ entsteht ein von innen nach außen gerichteter
Konzentrationsgradient. Die Membran enthält üblicherweise K+-Ionenkanäle die eine
Diffusion von innen nach außen zu
Elektrische Treibkraft: Mit jedem K+ Ion verliert die Zelle eine positive Ladung und der
Intrazellulärraum wird zunehmen negativ geladen. In der Folge entsteht ein elektrischer
Gradient, der K+Ionen aus dem Extrazellulärraum elektrostatisch anzieht
Nach der Nernst-Gleichung ergibt sich das elektrochemische Gleichgewichtspotential, für
das der Netto-Ionenstrom = O ist und die chemischen und elektrischen Triebkräfte gleich
8
groß sind aber gegeneinander gerichtet sind. Wenn die Plasmamembran einer Zelle
ausschließlich für K+ Ionen permeabel ist, gleicht sich das Membranpotential EK an,
Gleichgewichtspotential bei ca. -90mV
Na+-Ionen
Durch die Tätigkeit der Na+/K+ ATPase wird [Na+] extrazellulär erhöht und intrazellulär
vermindert. (140mM Extrazellulär vs. 10mM intrazellulär), Gleichgewichtspotential +60mV
Einwärtsströme von Natriumionen sind für viele elektrische Signalprozesse, aber auch für an
Na+ gekoppelte Transportprozesse verantwortlich
Ruhende Nervenzellen haben eine signifikante Na+-Leitfähigkeit
Ca2+ Ionen
Sehr niedrige intrazelluläre Konzentration, hohe extrazelluläre Konzentration sehr steiler
Konzentrationsgradient von 1: 10.000 wird durch aktive Transportmechanismen aufrecht
erhalten
Gleichgewichtspotential bei ca. +120mV
Große treibende Kraft für Einwärtsströme von Calciumionen
Ruhemembranpotential
Das Membranpotential einer Zelle ergibt sic aus den Gleichgewichtspotentialen für alle
relevanten Ionen, wobei K+,Na+ und Cl- die wichtigste Rolle spielen. Wie stark jede Ionenart
zum resultierenden Potential beiträgt, ergibt sich aus der relativen Permeabilität der
Membran für die verschiedenen Ionen
In den meisten Zellen wird das Ruhemembranpotential von der Permabilität für K+
dominiert und liegt dem zufolge nahe des negativen Gleichgewichtpotentials für K+
Die Permeabilität der Zellmembran für K+ wird v.a. durch 2 Typen von K+-selektiven
Ionenkanälen erreicht:
o Tandemporen-Kanäle
o Einwärts gerichtete (inwardly rectifying) K-Kanäle
Das Ruhemembranpotentail beruht auf einem Überschuss negativer Ladung im Zellinneren,
der absolute Konzentrationsunterschied zum Extrazellulärraum ist jedoch verschwindend
gering kaum messbarer Unterschied der Konzentrationen von Anionen und Kationen.
Na+/K+ ATPase ist fortwährend (konstitutiv) aktiv
9
Aktionspotential
Aktionspotentiale sind Kennzeichen der erregbarer Zellen (Nerven-, Sinnes-, Muskelzellen)
Aktionspotential = kurze Spannungsimpulse/stereotyp ablaufende Änderungen des
Membranpotentials, die sich schnell fortpflanzen und der Koordinierung von Funktionen in
mehrzelligen Organismen dienen.
Entstehungsort: Axonhügel (hohe Dichte an Na+ Kanälen)
Alles oder nichts: Einheitlicher Potentialverlauf in einer Zelle
Stärk eines Reizes: Repräsentiert durch die Frequenz der Aktionspotentiale, Zahl der
rekrutierten Fasern
Ablauf
Z.B. durch Aktivierung erregender Synapsen, Gap Junctions, Signaltransduktion kommt es
zu einer ersten Depolarisation, die das Schwellenpotential (-50 mV) erreicht und damit
schlagartig spannungsabhängige Na-Kanäle öffnet lawinenartige Öffnung der Na+-Kanäle.
Unterschwellige Depolarisationen lösen keine Aktionspotentiale aus
Es kommt zu einem Einstrom von Na+ Ionen durch spannungsabhängige, natriumselektive
Kanäle, der das Membranpotential positiv macht starke Depolarisation.
Overshoot: Das in den positiven Bereich überschießende Potential wird Overshoot genannt
Spontane Inaktivierung der Na+-Kanäle 1-2 ms nach der Öffnung Verschluss begründet
die absolute Refraktärzeit
Ansteigende Kaliumleitfähigkeit: Öffnung von verzögerten Kalium-selektiven Kanälen, durch
die K+ Ionen nach außen strömen und das Potential wieder zu negativen Werten verschieben
Repolarisation
Hyperpolarisierendes Nachpotential/Hyperpolarisation: durch die verzögernd
gleichrichtenden Kaliumkanäle zur Wiederherstellung des negativen Mempranpotentials
Aktionspotentiale sind kurze, invariante Signale, die sich selbstständig entlang von Axonen fortpflanzen. Nach ihrer Entstehung sind AP stereotyp und Stimulus unabhängig. Voraussetzung für die Generierung ist das Überschreiten eines bestimmten Schwellenwertes, bei dem spannungsabhängige Na+ Kanäle geöffnet werden
1
10
entsteht oft ein kurzes hyperpolarisierendes Nachpotential, bis die zusätzlich aktivierten
Kaliumkanäle wieder geschlossen sind
Refraktärzeit
Nach Ablauf des Aktionspotentials dauert es einige Millisekunden, bis die Inaktivierung der
Natriumkanäle wieder aufgehoben ist. Die Zelle ist in dier Refraktärzeit NICHT erregbar
Absolute Refraktärzeit: selbst stärkste Depolarisationen können kein aktionspotential
auslösen
Relative Refraktärzeit: ein Teil der Kanäle ist wieder aktivierbar, sodass die
Erregungsschweller erhöht ist und das AP nicht die volle Amplitude erreicht
Frequenz: Die Refraktärzeit begrenzt die Frequenz, mit der erregte Zellen feuern können
Ausbreitungsrichtung: Die Refraktärzeit sorgt dafür, dass sich Aktionspotentiale nur in eine
Richtung ausbreiten können
Fortleitung
Elektrotonische Reizleitung: Passive Ausbreitung entlang von Zellmembranen
o Ausbreitung mit Abschwächung, das die Plasmamembranen schlechte Leiter sind,
Leckströme
o Langsame Leitung (Umladen den membrankapazität)
o Nur für die Kommunikation zwischen nah beieinander liegenden Zellen geeignet
o Verwendung: Dendrit, Soma
Regenerative Erregungsleitung
o Hoher Sicherheitsfaktor: Hohe Dichte an Natrium- und Kaliumkanälen ermöglicht
die Neubildung von Aktionspotentialen an jeder Stelle
o Verlustfreie Weiterleitung
o Ermöglicht Informationsübertragung über große Distanzen
Saltatorische Erregungsleitung
o Verwendung: myelinisierte Axone: schnell leitende Fasen sind von dicht gepackten
vielschichtigen Membranlamellen umhüllt („Myelin“), die von Gliazellen gebildet
werden
o Peripheres Nervensystem: Schwann-Zellen
o Zentrales Nervensystem: Oligodendrozyten
o Vorteil: Myelin-Schicht dichtet Membran ab, sodass weniger Ladung bei Fortleitung
durch Leckströme verloren geht
o In myelinisierten Fasern breitet sich das Potential sehr schnell elektrotonisch von
Schnürring, wo das AP durch Aktivierung von Natrium- und Kaliumkanälen jeweils
wieder vollständig regeneriert wird
Leitungsgeschwindigkeit ist abhängig von:
o Durchmesser Axone (je größer, desto schneller)
o Myeliniserung der Axone (verringert Membranwiderstand)
o Temperatur (Kälte verlangsamt Prozesse)
