Physiologie ist die Wissenschaft von der normalen ... · Aktionspotential - Refraktärität...

Einführung in die Neurophysiologie 2009

Physiologie ist die Wissenschaft von der normalen Funktionsweise eines lebenden Organismus und seiner

einzelnen Komponenten


Vegetative Physiologie

Physiologie der Atmung, Ernährung, Verdauung, des Energie- und

Wärmehaushalts, Kreislaufs, usw.

Animalische Physiologie(Neurophysiologie)

Physiologie der Nerven, Muskeln, Sinnesorgane


Informationsverarbeitung in Nervenzellverbänden

aufnehmen

weiterleiten

verarbeiten

abgeben

Information


Grundmechanismen

Entwicklung von Bioelektrizität(Potentialdifferenzen)

Änderung der Potentiale

Weiterleitung

Übertragung auf andere Zellen

Ruhepotential

Aktionspotential

Elektrotonus/saltatorische Leitung

Synapse


Vorraussetzung:Die Ionenverteilung zwischen Intra- und Extrazellularraum

Ion intrazellulär extrazellulär

Na+ 12 mmol/l 144 mmol/lK+ 160 mmol/l 4 mmol/lCa2+ 10-8-10-7 mol/l 2 mmol/l

Cl- 4 mmol/l 120 mmol/lHCO3

- 8 mmol/l 26 mmol/lA- 155 mmol/l 5 mmol/l

Potential - 90 mV 0 mV


Nernst Gleichung

elektrische Kraft

E x z x F

chemische Kraft

R x T x ln ca/ci =!

R x Tz x F

E = x ln ca/ci E = -61 mV x log ci/ca

Kräftegleichgewicht

Gleichgewichtspotential


Das Ionenungleichgewicht zwischen Intra- und Extrazellularraum ist die Voraussetzung für das

Ruhepotential

Ion intrazellulär extrazellulär

Na+ 12 mmol/l 144 mmol/lK+ 160 mmol/l 4 mmol/lCa2+ 10-8-10-7 mol/l 2 mmol/l

Cl- 4 mmol/l 120 mmol/lHCO3

- 8 mmol/l 26 mmol/lA- 155 mmol/l 5 mmol/l



Die ungleichen intra- und extrazellulären Kaliumkonzentrationen bestimmen das Ruhepotential

Ion intrazellulär extrazellulär Verhältnis

Na+ 12 mmol/l 144 mmol/l 1:12K+ 160 mmol/l 4 mmol/l 40:1


Verhältnis der Leitfähigkeit für Na+/K+ ~ 1/100


EK = -61 mV x log [K+]i/[K+]a

Kalium-Gleichgewichtspotential

log [K+]i/[K+]a = log 40 = 1,6

EK = -61 mV x 1,6 = -98 mV

R x Tz x F

E = x ln ca/ci


g/l

mval/l

mmol/kg Plasmawasser

Elektrolyte

Kationen:

Natrium Kalium Kalzium Magnesium Insgesamt Anionen:

Chlorid Bikarbonat Phosphat Sulfat Organische Säure Eiweiß Insgesamt Nichtelektrolyte Glukose Harnstoff

3,27 0,16 0,10 0,03

3,65 1,65 0,10 0,05

65 bis 80

0,7-1,1 0,40

142 4 5 3

154

103 27 2 1 5 16 154

152 4 3

1,6

110 29 1 1 1 5 7

Elektrolyte im menschlichen Serum


g/l

mval/l

mmol/kg Plasmawasser

Elektrolyte

Kationen:

Natrium Kalium

3,27 0,16

142 8

152 4

Elektrolyte im menschlichen Serum

Eine Verdoppelung der Serumkaliumkonzentration bei gleichbleibender intrazellulärer Konzentration von Kalium verändert das Membranpotential jeder erregbaren Zelle um ~ 20 mV


Take home 1• Das Ruhepotential entsteht an einer selektive

permeablen Membran• Das Ruhepotential einer Zelle ist intrazellulär

negative gegenüber einer indifferenten Referenzelektrode im Extrazellularraum

• Vorraussetzung für die Entstehung des Ruhepotentials ist eine ungleiche Ionenverteilung

• Mit Hilfe der Nernst-Gleichung lässt sich das Gleichgewichtspotential für jedes einzelne Ion berechnen


Die ungleichen intra- und extrazelluläre Kalium- und Natriumkonzentrationen bestimmen das Ruhepotential

Ion intrazellulär extrazellulär Verhältnis

Na+ 12 mmol/l 144 mmol/l 1:12K+ 160 mmol/l 4 mmol/l 40:1



Sauerstoffmangelbereiche im Myokard bei Herzinfarkt

Gefahr vor Rhythmusstörungen durch Verschieben des Ruhepotentials!


E = RTF ln

PK+ K+

ePK

+K+

i

+

+

+

+

PNa+ Na+

PNa+ Na+

e

i

PCl- Cl -

PCl- Cl -

i

e

Goldman-Hodgkin-Katz- Gleichung


Take home 2

• Die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials erfordert Energie

• Sauerstoffmangel kann eine Instabilität des Ruhepotentials verursachen

• Der Betrag des Potentials ist abhängig von der Leitfähigkeit verschiedener Ionenkanäle

• Mit Hilfe der Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung lässt sich das Potential einer Zelle zu jedem Zeitpunkt berechnen


Nernst Gleichung

Ruhepotential ! Statische Verhältnisse

Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung

Aktionspotential ! Dynamische Verhältnisse

Aktionspotential - Refraktärität

Zusammenfassung 3• Das Aktionspotential einer Zelle wird durch eine

kurzfristige Öffnung der schnellen Natriumkanäle verursacht

• Die Natriumkanäle werden spannungsabhängig inaktiviert. Dadurch wird die Repolarisationeingeleitet

• Durch Aktivierung spannungsabhängiger Kaliumkanäle wird die Zelle vollständig repolarisiert


Zusammenfassung 4• Refraktärität ist die zeitlich begrenzte fehlende

Wiedererregbarkeit einer Zelle• Eine Zelle ist refraktär, weil die spannungs-

abhängigen Natriumkanäle inaktiviert sind. • Während der absoluten Refraktärzeit ist die

Zellen gar nicht wiedererregbar.• In der relativen Refraktärzeit ist eine Zelle nur

mit stärkeren Depolarisationen wiedererregbar. Dabei ist die Amplitude des Aktionspotentials vermindert.


Conclusion:Cooperative sodium channel activationunderlies the dynamics of action potentialinitiation in cortical neurons.


Gating durch

- Spannungsgesteuert-intrazelluläre Messenger

- Proteine- mechanische Spannung

-Wärme/Kälte- kleinmolekulare Porenblocker


Na- Kanal

+

- - - -- -

-EZR

IZR

+-

+-

+-

+-

+-

+ Ca2+ oder H+

MP

Hypokalziämie, Alkalose


Zusammenfassung 5

• Die Aktivierung der spannungs-abhängigen Natriumkanäle hängt von der Ladungsmenge ab, die auf die Membran gebracht wird.

• Die Aktivierbarkeit der spannungs-abhängigen Natriumkanäle hängt von der Konzentration von Ca2+ und H+ Ionen im Extrazellularraum ab

• Unter einer Tetanie versteht man eine erhöhte neuromuskuläre Erregbarkeit, deren Ursache z. B. ein Kalziummangel (Hypokalzämie) oder eine Alkalose (Protonenmangel) sein können

Ausbreitung und Weiterleitung von Aktionspotentialen

Aufladung: E(t) = Emax (1-e-t/τ)

Entladung: E(t) = Emax e-t/τ)

Für t = τ mit 1/e = 37 % gilt

E(τ) = 0,37 Emax

Membranzeitkonstante τ


Aufladung: E(l) = Emax (1-e-l/λ)

Entladung: E(l) = Emax e-l/λ)

Für l = λ mit 1/e = 37 % gilt

E(λ) = 0,37 Emax

Membranlängenkonstante λ


Membranzeit- und Membranlängenkonstante sind für jede Nervenzelle charakteristische Größen

Während die Membranzeitkonstante die Erregbarkeit einer Zelle mitbestimmt, ist die Membranlängenkonstante für die Ausbreitung von Aktionspotentialen entlang einer Nervenfaser von Bedeutung

Zusammenfassung 6


Die saltatorische Erregungsleitung ist schneller als die kontinuierliche, weil nicht Membranbereich nach Membranbereich depolarisiert werden muss

Aktionspotentiale treten bei der saltatorischen Erregungsleitung nur an den Ranvierschen Schnürringen auf, da hier die Myelinisolationsschicht fehlt und die Dichte an Na+-Kanälenetwa 100-mal höher ist als in den Internodien

Eine Schädigung der Myelinschicht in den Internodien kann die Weiterleitung von Aktionpotentialen verzögern oder sogar verhindern

Zusammenfassung 7

Weiterleitung von Aktionspotentialen - Synapse

Synapse

Morphologisch und funktionell spezialisierte Kontaktstelle zwischen erregbaren Zellen


Postsynaptische Potentiale (PSP)

-PSP sind in ihrer Amplitude kleiner als Aktionspotentiale

-PSP können depolarisierend oder hyperpolarisierend sein

-PSP gehorchen nicht der Alles-oder-Nichts-Regel

-PSP haben keine Refraktärzeit

Zusammenfassung 8


Zusammenfassung 9

Räumliche & zeitliche Summation

ermöglichen die neuronale Bahnung

dienen der Signalverarbeitung durch Filterfunktion (z. B. Gating)

Beispiele:

1. hohe Erregungsfrequenz wird in einzelne Antworten umgesetzt2. nur wenn mehr als ein Informationskanal aktiviert wird, wird die Zielzelle aktiviert

Signalverarbeitung – Prä- und postsynaptische Modulation

Zusammenfassung 10

Prä-/postsynaptische Bahnung/Hemmung dient der Modulation der Signalverarbeitung

Postsynaptische Hemmung/Bahnung verändert das Gesamtverhalten der Zielzelle

Bei präsynaptische Hemmung/Bahnung können selektive einzelne Signaleingangskanäle der Zielzelle moduliertwerden

Signalverarbeitung – Signalbildung und Registrierung

Rezeptorpotentiale

Gating durch

- Potentialänderungen- intrazelluläre Messenger- Proteine- mechanische Spannung- Wärme/Kälte- kleinmolekulare Porenblocker


Zusammenfassung 11

Rezeptorpotentiale


Zusammenfassung 12

EEG

Oberflächennahe Feldpotentiale sind bei oberflächennahen EPSP negativ, bei IPSP positiv.

Dagegen sind die Feldpotentiale bei tiefen EPSP positiv, bei IPSP negativ.


Elektroenzephalogramm (EEG)

Diagnostische Möglichkeiten:

- Epilepsie- Narkoseüberwachung- Schlafstadienbestimmung- Diagnose Multiple Sklerose mithilfe visuell evozierter Potentiale (VEP)- Akustisch evozierte Potentiale (AEP)

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