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Vorlesung Neurophysiologie Detlev Schild Abt. Neurophysiologie und zelluläre Biophysik [email protected]

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  • Vorlesung Neurophysiologie

    Detlev SchildAbt. Neurophysiologieund zelluläre [email protected]

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  • http://stud.neuro-physiol.med.uni-goettingen.de

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  • 2 files: Physiologie - Membranen und Transportprozesse.pdfMembranPhysiologieVorlesung_Inhalt.pdf

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  • Beim Menschen:1011 – 1012 Neurone

    20 bis 50 – malmehr Gliazellen !

  • Camillo Golgi (* 1843, † 1926)entwickelte eine Methode zum Anfärben einzelner Neurone und Zellstrukturen (Golgi-Färbung)

    Ramon y Cajal (* 1852, † 1934)

  • Funktionelle Bereiche eines Neurons

  • Neurone Gliazellen

    z.B. Astroglia, Mikroglia, Oligodendrocyten, Schwannsche Zellen, Müllerzellen (Retina), Stützzellen (olfaktorisches Epithel) etc.

    Kompartimente eines Neurons: Dentriten - Soma - Axon( input output)

  • → All neurons stained in 3D

  • Eines von 1012 Neuronen

  • Neurone reden über ca. 103-104 Synapsen miteinander

  • Spezielle neuronaler Fortsätze: Dornfortsätze (spines)

  • Spines: morphologische Korrelate des Gedächtnisses

  • input ⟶ ⟶ output

  • Sinnes - systeme ⟶ ⟶ Muskeln

    Drüsen

  • Sinnes - systeme ⟶ ⟶ Muskeln

    Drüsen

    Bewußtsein Gedächtnis Emotion “Ratio”

  • Kapitel M1: Einführung. Phospholipide und Membranen: Mizellen, Bilipidschicht, Diffusion: 1. Ficksches Gesetz; Permeabilität; Leitwert und Kapazität

    Kapitel M2: Transportproteine: K+/Na+ - ATPase, Ca2+ - ATPasen, Gradienten-abhängige Transportproteine

    Kapitel M3: Ströme über Membranen: Ionenkanäle, Transportproteine, gap junctions; Ionenkanäle: Struktur, Spannungsabhängigkeit, Selektivität und Permeabilität; spannungs- und ligandengesteuete Ionenkanäle

    Kapitel M4: Physiologische Ionenverteilung: Donnan – Gleichgewicht, Nernstgleichung an Plasmamembran, Zusammenspiel verschiedener spannungsabhängiger Leitwerte in Zellmembranen, Goldmanngleichung

    Kapitel M5: Elektrische Signalverarbeitung an Zellen: Ionotrope und metabotrope Rezeptoren. Inhibition, Elektrotonus.

    Kapitel M6: Aktionspotential (AP): Entstehung, beteiligte Leitwerte, AP: Refraktärzeiten, pos. Rückkopplung, Ca2+ - Wirkung auf Leitwerte (Tetanie, etc), versch. Formen von APs an Muskel und Herz,APs: modulierende Einflüsse, Kodierung der AP-rate

    Kapitel M7: Fortleitung von APs auf nichtmyelinisierten und myelinisierten Nervenfasern. Summenaktionspotential und seine Messung. Wirkung von APs an Axonterminalen

  • Plasmamembran aus Phospholipiden

  • Phospholipide: lipophile Fettsäuren, hydrophile Köpfe

    Plasmamembranen besitzen als Grundstruktur eine Lipiddoppelschicht

  • PM: Transportproteine, Ionenkanäle und gap junctions

  • Tollkirsche = Atropa belladonna (Parasympatholytikum)

    Viele Pharmaka wirken an Membranen

  • Fingerhut = Digitalis purpurea (Herzglykosid)

  • Schlangenvenome (u.a.: Blocker von Ionenkänalen)

    Venom:

    Mixtur von Toxinen ( d.h. tierisch produzierten Giften)

  • Skorpiongift (u.a.: Blocker von Ionenkänalen)

  • Tetrodotoxin (TTX)hemmt spannungsabhängigeNatriumkanäle

    Natürliche Gifte als Werkzeuge der Kanalforschung

  • Zusammenfassung

    1. Charakteristische Eigenschaften von Neuronen:

    - Integration von tausenden von Eingangssignalen

    - Leitung von elektrischen Pulsen teils über weite Entfernungen und mit hoher Geschwindigkeit.

    2. Grundstruktur der Zellmembranen: Phospholipid – Doppelschicht ist

    praktisch undurchlässig für Ionen

    3. Sehr viele Toxine, Venome und Pharmaka wirken an Membranen

  • Kapitel M1: Einführung. Phospholipide und Membranen: Mizellen, Bilipidschicht, Diffusion: 1. Ficksches Gesetz; Permeabilität; Leitwert und Kapazität; Membranwirkung von Drogen

    Kapitel M2: Transportproteine: K+/Na+ - ATPase, Ca2+ - ATPasen, Gradienten-abhängige Transportproteine

    Kapitel M3: Ströme über Membranen: Ionenkanäle, Transportproteine, gap junctions; Ionenkanäle: Struktur, Spannungsabhängigkeit, Selektivität und Permeabilität; spannungs- und ligandengesteuete Ionenkanäle

    Kapitel M4: Physiologische Ionenverteilung: Donnan – Gleichgewicht, Nernstgleichung an Plasmamembran, Zusammenspiel verschiedener spannungsabhängiger Leitwerte in Zellmembranen, Goldmanngleichung

    Kapitel M5: Elektrische Signalverarbeitung an Zellen: Ionotrope und metabotrope Rezeptoren. Inhibition, Elektrotonus.

    Kapitel M6: Aktionspotential (AP): Entstehung, beteiligte Leitwerte, AP: Refraktärzeiten, pos. Rückkopplung, Ca2+ - Wirkung auf Leitwerte (Tetanie, etc), versch. Formen von APs an Muskel und Herz,APs: modulierende Einflüsse, Kodierung der AP-rate

    Kapitel M7: Fortleitung von APs auf nichtmyelinisierten und myelinisierten Nervenfasern. Summenaktionspotential und seine Messung. Wirkung von APs an Axonterminalen

  • Ionenverteilung beim Menschen:

    Ion Innen Aussen[mM] [mM]

    Na+ 5 - 15 145

    K+ 140 5

    Ca2+ ≤ 10-4 2,5 - 5(geb.: 1-2)

    Cl- 4 110

    Nichtpermeable Anionen A- sorgen für - eine feste, nicht permeable negative Ladung in der Zelle und- eine negative Spannung von ca. 15 mV (Donnan-Spannung)

  • Ströme durch biologische Membranen durch

    a) Pumpen

    - ATP – getrieben: primär aktiver Transport- Na/K – ATPase - PM- CaATPase

    - Ionengradient – getrieben: sekundär aktiver Transport- Aminosäure / Na - Symport- Glucose / Na - Symport

    b) Poren/Kanäleeinige Kaliumkanäle sind immer offen !die meisten Kanäle sind meistens zu !

    c) gap junctions

    langsam, aber stetig: ca. 150 Ionen / s

    schnell und meist kurz: 50.000 Ionen / ms

  • Na/K-ATPase: 3 Na+ ⇋ 2 K+ (kostet 1 ATP)

  • Sekundär aktiver Transport: Anti – und Symporter

  • Effekte der primär und sekundär aktiven Transporter an der Plasmamembran:

    Unsymmetrischen Ionenverteilung

    1. Na+/K+ - ATPase → [Na+]o >> [Na+]i und [K

    +]i >> [K+]o

    2. Ca2+ - ATPase

    3. Na+/Ca2+ - Antiport

    → [Ca2+]o / [Ca2+]i ≈ 100.000

    und [Ca2+]o ≈ 3 mM; [Ca2+]i ≈ 50 nM

  • Ionenverteilung beim Menschen:

    Ion Innen Aussen[mM] [mM]

    Na+ 5 - 15 145

    K+ 140 5

    Ca2+ ≤ 10-4 2,5 - 5(geb.: 1-2)

    Cl- 4 110

    Nichtpermeable Anionen A- sorgen für - eine feste, nicht permeable negative Ladung in der Zelle und- eine negative Spannung von ca. 15 mV (Donnan-Spannung)

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