Vorlesung Neurophysiologie

Detlev SchildAbt. Neurophysiologieund zelluläre Biophysikdschild@gwdg.de

mailto:dschild@gwdg.de

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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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