Nervensystem - Institut für Biologie

Die Erregung im Nervensystem:
- Ruhepotential
- Aktionspotential
Representative
Verlauf der Erregung in einem
neuron
Neuron
ein
in
Soma
Soma
“cell
body”
postsynaptische
Seite
präsynaptische
Seite
ou
aus
t
Ionenkanäle
geschlossen
offen
Das Membranpotential hängt von der K+
Konzentration ab
E=
Ion 58 log
[Ion]a
[Ion]i
hypothetisch
(nach
Nernst Gleichung)
Neuron
Elektrische Eigenschaften von Nervenzellen
Ruhepotenzial (Membranpotenzial bei Ruhe)
Wenn man mit einer Glasmikroelektrode in Zellen einsticht, zeigen sie eine gegenüber
dem äußeren Milieu negativ geladene elektrische Spannung (Membranspannung VM,
die in Ruhe auch Ruhepotential genannt wird.)
Grund:
* Zwischen dem Zellinneren und dem Zelläußeren bestehen Unterschiede in den
Konzentrationen verschiedener Ionen, insbesondere der Kalium- und Natriumionen
[K+]i > [K+]o und [Na+]i < [Na+]o, K+ und Na+ sind also unterschiedlich verteilt.
* Die Zellmembran (eine semipermeable-Membran) ist für diese Ionen unterschiedlich
durchlässig (z.B. für Kalium recht gut, für Natrium sehr gering)
Die Ionen können nur durch entsprechende und für eine Ionensorte spezifische
„Poren“, die Ionenkanäle, durch die Membran fließen.
Ionenkanäle sind in der Membran der Zelle sitzende Proteinmoleküle, welche dank
ihrer hydrophilen Eigenschaften eine solche Porengröße aufweisen, dass das
entsprechende Ion mit seiner Hydrathülle genau durchpasst. Man spricht vom:
Kaliumkanal, Natriumkanal, Calciumkanal, Chloridkanal, oder von unspezifischen
Kationenkanälen (positiv geladene Ionen), Anionenkanälen (negativ geladene Ionen)
Für jedes Ion kann der Spannungswert ermittelt werden, bei dem die Ionenflüße
im Gleichgewicht sind
(Fließgleichgewicht, d.h. es fließen beim Spannungswert des Gleichgewichts, genannt
Gleichgewichtspotenzial, genau so viele Ionen in die Zelle oder aus der Zelle; es
besteht also keine Nettobewegung von Ionen bzw. Ladungen
Berechnung über die von Walter Nernst (1889) aufgestellte Gleichung:
Nernst-Gleichung
Eion = RT / zF x ln [Ion+]a / [Ion+]i
R = allgemeine Gaskonstante, 8,314 JK-1mol-1
T = absolute Temperatur in oK
z = Wertigkeit des Ions (1 bei einwertigen Ionen, 2 bei Metallionen wie Ca2+)
F = Faraday-konstante, 96500 Cmol-1
ln = Logarithmus naturalis
[Ion] = Konzentration des Ions außen (a oder o(ut)) oder innen (i)
Bei Zusammenfassung dieser Konstanten und einer Raumtemperatur von 20oC
sowie der Ersetzung des natürlichen durch den dekadischen Logarithmus ergibt sich
folgende Vereinfachung:
Eion = 58 mV x log [Ion+]a / [Ion+]i
Membranpotential
Vm in mV
Gleichgewichtspotenziale der wichtigsten Ionen
Na+
ENa = 56 mV
20
0
-20
ClECl = -61 mV
K+
EK = -93 mV
Zeit, t
Aus der Nernst-Gleichung berechnet:
EK = 58 mV x log ([Ion+]a ) / ([Ion+]i )
[K+]a / [K+]i
[Na+]a / [Na+]i
[Cl-]i / [Cl-]a
= 10 mM / 400 mM
= 460 mM / 50 mM
= 40 mM / 450 mM
EK = -93 mV
ENa = 56 mV
ECl = -61 mV
Die NatriumKalium Pumpe
- Energieverbrauch
ATP
A
T
P
- 3 Na + raus, 2 K + rein
A
D
ADP + Pi
P
+
P
i
INNEN
- Aufrechterhaltung des Em
AUSSEN - (fast) elektrisch neutral
Zusammenfassung: Ruhepotenzial
Bestimmend für das Ruhepotenzial einer Nervenzelle:
* Unterschiedliche Verteilung der Ionen innen und außen
(Natrium, Kalium, Chlorid, große organische Anionen
können nicht aus dem Zellinnern)
* Semipermeable Eigenschaften der Membran (für die
Ionen bestehen unterschiedliche Permeabilitäten durch die
Kanäle aufgrund selektiver Ionenkanäle)
* Natrium-Kalium-Pumpe (Na-K-ATPase) schafft dauernd
eingelecktes Natrium aus der Zelle (bei Vergiftung der
Pumpe kein Ruhepotenzial möglich)
* dadurch Aufrechterhaltung eines negativ geladenen
Ruhepotenzials
Neuronale Aktivität eines Säugerneurons
- intrazelluläre Ableitung -
außen
innen
gK
Ströme während des
Aktionspotentials
Ruhestrom: gleich starker
Ein- und Ausstrom von K+
Depolarisation: Na+ EinStrom
g Na
gK
gK
Repolarisation: verzögerter
K+ Ausstrom
Hyperpolarisation: anhaltend
stärkere K+ Leitfähigkeit
Zusammenfassung Aktionspotenzial
Während eines Aktionspotenzials kommt es also zu folgenden
Ionenflüssen (Strömen):
* Öffnen eines spannungsabhängigen Natriumkanals (beim Schwellenwert hohe
Wahrscheinlichkeit des Öffnens) und dadurch große Leitfähigkeit für Natriumionen
* Umpolarisation des Membranpotenzials bis zum Erreichen des Natriumgleichgewichtspotentials (ENa). (Dadurch wird das Natrium-gleichgewichtpotenzial (ENa)
für das Membranpotenzial bestimmend)
* Inaktivierung (Schließen) der spannungsabhängigen Natriumkanäle (dadurch Leitfähigkeit für Natriumionen wieder sehr gering) und Anstieg der Kaliumleitfähigkeit
(ein langsamer Prozess). Dadurch wird wieder das Kalium-Gleichgewichtspotenzial (EK) für die Zelle bestimmend.
* Aktionspotenziale treten erst auf, wenn das Membranpotenzial einen bestimmten
Schwellenwert (immer positiver als das Ruhepotenzial) überschritten hat.
* Für einen kurzen Moment polarisiert das Membranpotzenzial um, das heisst das
Innere wird positiv
* Die Spitze des Aktionspotenzials liegt bei Spannungswerten, die in etwa denen
für das Natrium-Gleichgewichtspotenzial entsprechen (ENa)
* Danach repolarisiert das Membranpotenzial sofort und fällt ín etwa auf den Wert des
Ausgangspotenzials (Ruhepotenzials) ab.
* Nach einem Aktionspotential kann nicht sofort ein neues ausgelöst werden
(Absolute Refraktärperiode).
* Nach Beendigung dieser absoluten Refraktärperiode können zwar wieder Aktionspotenziale ausgelöst werden, ihre Amplitude ist aber geringer (das heisst die Spitze
des AP liegt bei geringeren Spannungswerten) (relative Refraktärperiode)
Fortleitung von Aktionspotenzialen
Aktionspotenziale werden "aktiv" fortgeleitet
- schnell
- ohne Abschwächung
- ohne "Informationsverlust"
- in eine Richtung
Fragen:
- Welche Konzentrationen der K+, Na+ und Cl- Ionen herrschen in
Neuronen während des Ruhepotentials? Welche Membranspannung
Herrscht während des Ruhepotentials?
- Was versteht man unter dem Gleichgewichtspotentials eines Ions?
- Welche Art von Ionenkanälen gibt es?
- Was sind die Voraussetzungen für die Ausbildung des Ruhepotentials?
-Welche Ionenkanäle sind für das Aktionspotentials verantwortlich?
-Welche Ströme fließen während des Aktionspotentials?
-Erklären Sie die Ursache für die absolute und relative Refraktärzeit.
-Wie wirkt sich die Refraktärzeit auf die maximal mögliche Frequenz
von Aktionspotentialen aus?
Synapsen und synaptische Integration: Wie rechnet das Gehirn?
Kontaktstellen zwischen Neuronen, oder zwischen Neuronen und Muskel
(neuromuskuläre Synapse)
Entsprechend der Art ihrer Übertragung unterscheidet man
elektrische oder chemische Synapsen.
Eine Synapse besteht aus einem
präsynaptischen Teil (Präsynapse)
und einem postsynaptischen Teil (Postsynapse).
Neurone kommunizieren
über Synapsen
Synapse
Chemische Synapsen
* Synaptischer Spalt etwa 20 - 40 nm,
* Präsynaptische Zelle mit Vesikeln setzt Botenstoff (Neurotransmitter) frei, der durch den
synaptischen Spalt zur postsynaptischen Zelle diffundiert und dort an spezifische
Rezeptormoleküle bindet.
Menge des freigesetzten Transmitters abhängig von der Amplitude des Membranpotenzials!
* Chemische Synapsen sind gleichrichtend (Leitung nur in einer Richtung) und arbeiten mit
einer Zeitverzögerung (delay) von etwa 1 ms.
•Die postsynaptische Zelle enthält auf der Membran zum synaptischen Spalt Rezeptormoleküle, an denen die Transmitter binden. Durch die Bindung ändern sich diese Rezeptormoleküle und es kommt zu einem Ionenstrom. Dieser führt zu einem postsynaptischen
Potenzial.
Vesikel fusionieren
mit der präsynaptischen
Membran an aktiven
Zonen.
Für die Fusion ist ein
Einstrom von Ca2+ nötig.
Diese enthalten Komplexe
von Proteinen und
spanungsabhängige
Ca-Kanäle
Reaktionskaskade bei der synaptischen Übertragung
1) In der Präsynapse (Axonterminal) ankommendes AP führt zu Calciumionen-Einstrom, damit
Fusion der Vesikel mit der Zellmembran in der aktiven Zone möglich.
2) Vesikel enthalten Transmitter (Durchmesser etwa 50 nm, mit 10 000 – 50 000 Transmittermolekülen), Exocytose der Transmittermoleküle und Diffusion durch den etwa 30 nm breiten,
mit extrazellulärer Matrix gefüllten synaptischen Spalt.
3) Bindung der Transmittermoleküle an spezifische Rezeptormoleküle der postsynaptischen Zelle, dadurch Aufbau eines postsynaptischen Potenzials (erregend: EPSP
oder hemmend (inhibitorisch): IPSP).
4) Wirkung des Transmitters wird durch raschen enzymatischen Abbau begrenzt, Aufnahme
der Abbauprodukte oder auch ganzer Moleküle durch Gliazellen oder in die präsynaptische
Zelle durch spezifische Transportmoleküle (Transporter)
5) Vesikel werden recycelt (Bildung eines Endosoms in der Präsynapse, Bildung neuer Vesikel)
(Würde das nicht geschehen, würde die Grösse der Präsynapse dauernd anwachsen, da ja
ständig Vesikel mit der präsynaptischen Zellmembran verschmelzen).
Neurotransmitter
Acetylcholin (neuromuskuläre Synapsde der Wirbeltiere, autonomes Nervensystem
Biogene Amine
Noradrenalin, Adrenalin (Catecholamine), Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT), wichtige
Transmitter im Gehirn
Aminosäuren
(Gamma) g-Aminobuttersäure (GABA), Glycin,
Glutamat (neuromuskuläre Synapse der Wirbellosen Tiere, und wichtiger Transmitter im Gehirn)
Peptide
FMRF-amid, Opioide: Opiocortine, Enkephaline, Dynorphin (endogene, körpereigene Opiate)
Peptide der Neurohypophyse: Vasopressin, Oxytocin, Neurophysine
Tachykinine: Substanz P, Insuline: Insulin, insulinähnliche Wachstumsfaktoren I und II
Somatostatine: Somatostatin, Polypeptide der Bauchspeicheldrüse
Gastrine: Gastrin, Cholecystokinin
Gasförmige Transmitter
Stickoxid (NO)
Kohlenmomoxid (CO)
Ionotroper Rezeptor
z.B. nikotinischer ACh-rezeptor
Metabotroper Rezeptor
z.B. muskarinischer ACh-rezeptor
Der nikotinische Acteylcholin Rezeptor (nAChR)
besteht aus 5 Einheiten (α – γ), jede Einheit aus 4 in
der Membran befindliche α Helices (TM1 – TM4).
Die ACh Bindungsstelle befindet sich in jeder der
beiden α Einheiten
Pore für Kationen
durchlässig
Der wichtigste erregende Rezeptor im Wirbeltiergehirn
ist der Glutamat Rezeptor.
Es gibt mehrere Typen, ionotrope und metabotrope.
Die Rezeptortypen werden nach den Substanzen benannt, die
als Antagonisten wirken, z.B. NMDA: N-Methyl-D-Aspartat
Excitatorische Postsynaptische
Potentiale von
ionotropen Rezeptoren
(EPSP)
schnell,
direkt
und von metabotropen
Rezeptoren
(EPSP)
Erinnerung:
Bildung des
Rezeptorpotentials
im Auge:
Rhodopsin!
langsam
G-Protein
vermittelt
* Ob ein Neurotransmitters erregend oder hemmend wirkt,
hängt ausschliesslich von der Art der postsynaptischen Rezeptormoleküle ab:
erregend: in der postsynaptischen Zelle wird ein EPSP
(erregendes postsnaptisches Potential) gebildet
hemmend: es wird ein IPSP (inhibitorisches postsynaptisches
Potential) gebildet
* Eine Nervenzelle kann mehr als einen Transmitter freisetzen
(oft klassischer Transmitter und ein bis mehrere Co-Transmitter).
Verrechnung (Integration) an Synapsen: Addition und Subtraktion
erregende Synapse
Axonhügel (Aktionspotential auslösende Zone)
Laborjargon: Spike-generierende-Zone
spike initiating zone
hemmende Synapse
Membranpotential (mV)
In diesem Beispiel heben sich Erregung und
Hemmung gerade auf !
20
0
-20
EPSP
IPSP
Zeit (ms)
Verrechnung (Integration) an Synapsen: Zeitliche Summation
Verrechnung (Integration) an Synapsen: Räumliche Summation
Verrechnung (Integration) an Synapsen:
Räumliche Summation
EPSPs/IPSPs verschiedener Synapsen, die z. B. an einem Dendritenbaum ansetzen, werden
In der postsynaptischen Zelle zu jedem Zeitpunkt addiert
Zeitliche Summation
Die in einer Präynapse zeitlich kurz aufeinanderfolgenden Aktionspotentiale lösen in der
postsynaptischen Zelle EPSPs/IPSPs aus, welche addiert werden.
Für die Integration sind die passiven elektrischen Eigenschaften (Kabeleigenschaften) des
postsynaptischen Neurons sehr wichtig (Konstanten τ und λ).
Präsynaptische Hemmung an Synapsen
Das präsynaptische Neuron wird durch Freisetzung eines Transmitters (vorwiegend GABA
oder Glycin) gehemmt, und damit wird die Freisetzung des Transmitters aus der Präsynapse
verhindert).
Ein Mechanismus, der z.B. die Axonterminale von Sinneszellen differenziert hemmen kann,
und damit die sensorischen Signale unterdrückt.
Präsynaptisches Neuron (Axonterminal)
Präsynaptische
Hemmung
Inhibitorisches (Hemm) Neuron
Postsynaptische
Hemmung
Postsynaptisches Neuron
Bahnung
(Facilitation)
Modulation an Synapsen
Eines von beiden, oder beide, das präsynaptische und das postsynaptische Neuron werden
durch einen von einem dritten Neuron freigesetzten Transmitter beeinflusst. Dieser als
Neuromodulator bezeichnete Botenstoff hat selbst keine rasche Wirkung auf die Neurone,
sondern die normale Übertragung zwischen den beiden Neuronen wird verändert (z.B.
effizienter).
Eine Modulation kann auch dadurch stattfinden, dass das präsynaptische Neuron
Co-transmitter (beispielsweise nach hochfrequenter AP-Salve) freisetzt, die dann die
weitere synaptische Übertragung beeinflussen, oder im postsnaptischen Neuron
Signalkaskaden aktiviert werden, die dann zu langanhaltenden Veränderungen der neuronalen
Eigenschaften bis hin zur Genexpression führen (Lernen, Gedächtnis)
Fragen:
-Welche Transmitter kennen Sie?
-Wie steuert die präsynaptische Erregung die Transmitterausschüttung?
-Welche postsynptischen Rezeptormoleküle kennen Sie?
-Wie bewirket die Bindung des Transmitters an seinen Rezeptor die
-Postsynaptische Erregung?
-Welche Arten von postsynaptischer Erregung gibt es und welche Ionenflüsse
-Sind dafür verantwortlich?
-Wie werden postsynaptische Potentiale integriert?
-Wie breiten sich postsynaptische Potentiale im Bereich der Dendriten aus?