K+ Kanäle

Grundlagen der Neurobiologie
•  Neurowissenschaften:
•  Historischer Rückblick ✔
•  Neurowissenschaften heute ✔
•  Neuronen und Glia (Zellbiologie) ✔
•  Prinzipien der Nervenreizleitung
•  Prinzipien der synaptischen Kommunikation
•  Neurotransmittersysteme und Rezeptoren
•  Grundlagen der Neuroanatomie und
Entwicklung des Nervensystems
Prinzipien der Nervenreizleitung
Einführung: das neuronale Ruhepotential vs. Aktionspotential
Beispiel: Schmerzreaktion, einfacher Reflex
Leistungen des Nervensystems: Detektion, Weiterleiten, Integration,
und situativ angemessene Reaktion
Wie unterscheiden sich die Leitung eines
Nervenimpulses und die Leitfähigkeit
eines elektrischen Leiters?
Elektrische Leitung im Axon und metallischen Leitern
Metallischer Leiter z. B Cu-Draht:
•  Ladungsträger sind Elektronen
•  sehr hohe Leitfähigkeit (geringer Widerstand)
•  Verlustarme Leitung da Umgebung (z. B. Luft oder Plastikummantelung)
nicht leitend.
•  sehr hohe Ausbreitungsrate des Signals
•  Bidirektionale Leitung möglich
Axon:
•  Ladungsträger sind hydratisierte Ionen: Na+, K+, Ca 2+, Cl•  Bewegung der Ionen erfolgt durch Diffusion
•  Isolation mangelhaft,
da Umgebung (Extrazellulärraum) ebenfalls leitfähig ist.
Passiver Transport von Ionen entlang des Axons viel zu langsam
und zu verlustreich!!
(Bear:“– wie löchriger Gartenschlauch, der Wasser transportieren soll“)
Informationsfluss basiert auf Weiterleitung
(Propagation) von Aktionspotentialen entlang des Axons
Aktionspotential (= Nervenimpuls, Spike, Entladung = discharge)
Bei jedem Axon konstant in Dauer und Größe  binär, wie Morsesignale
 einzelnes Aktionspotential kann daher keine Information kodieren.
 Informationsgehalt kodiert durch das Muster der Abfolge der
Aktionspotentiale:
Kenngrößen: Frequenz (zeitliche Abfolge) prop. zur Reizintensität
und Dauer prop. zur Reizdauer
Voraussetzung: elektrisch erregbare Membran
Neuron im Ruhezustand: negatives Membranpotential
1. Was sind die Ladunsträger?
2. Warum ist das Zellinnere
gegenüber dem Extrazellularraum
negativ geladen?
Synomym zu 2.:
Wie wird das elektrische Feld
entlang der Membran generiert?
4. Wie kommt es zur Umkehrung
(Inversion) der Ladungsverteilung
während des Aktionspotentials?
5. Wie kann dieses Signal (der Nervenimpuls) entlang des Axons wandern?
Welche Mitspieler sind beteiligt?
1.  Biologische Membran
•  Phospholipid-Doppelschicht
•  nicht permeabel für Ionen!!
(und hydrophile Moleküle)
2. Ionenkanäle
3. Ionenpumpen
Ionenkanäle
Struktur:
•  aus mehreren Untereinheiten aufgebaut
•  Untereinheiten bilden eine Pore (= Kanal)
•  Untereinheiten:
Transmembranproteine mit mehreren TMs
Klassifikation nach Ionenpermeabilität
•  Anionenkanäle: Cl•  Kationenkanäle: K+, Na+, Ca 2+
a) Kanäle mit Selektivität für best. Ionen:
K+ -Kanäle,
Na+ -Kanäle,
Ca 2+ -Kanäle,
• 
b) Kanäle mit geringer Selektivität:
K+, Na+, Ca 2+
Welche (Trieb)kräfte führen zur Einstellung einer
Potentialdifferenz entlang der Membran?
1.  Diffusion der Ladungsträger
entlang eines Konzentrationsgradienten
2. Elektrostatische Kraft
(bedingt durch Potentialdifferenz)
Diffusion der Ladungsträger entlang eines Konzentrationsgradienten
durch selektive Ionenkanäle
1)
2)
3)
1) NaCl Lösg. auf einer Seite einer impermeablen (undurchlässigen) Membran
2) Befinden sich Ionenkanäle (jeweils für Na+, Cl-) in der Membran, kommt es zur
Diffusion der Ladungsträger entlang des Konzentrationsgradienten bis
3) zu beiden Seiten der Membran die Konzentration identisch ist.
Bewegung von Ionen im elektrischen Feld
Ohmsches Gesetz:
Stromfluß (Ionentransport) ∼ g x Spannung
I=gxV
bzw.: I = g x U
I = 1/R x V
V = Spannung (Volt, V),
Potentialdifferenz
g = Leitfähigkeit (Siemens, S)
R = 1/g = Widerstand (Ohm, Ω)
I = Stromstärke (Ampere, A)
Der Stromfluss kommt dann zum Erliegen (I = 0)
wenn einer der beiden Faktoren des Ohmschen Gesetzes
gleich null ist:
•  g =0 wenn keine Leitfähigkeit besteht
( z B.. impermeable Membran ohne geöffnete Kanäle),
•  V = 0, wenn bei offenen Kanälen keine Potentialdifferenz anliegt.
Das Gleichgewichtspotential I
1. Eine impermeable Membran trennt
zwei Kompartimente mit unterschiedlich
konzentrierten Salzlösungen.
z. B
KCllinks
: KCl
rechts
= 20 : 1 (e.g. 100mM KCl, 5mM KCl)
Auf beiden Seiten herrscht jeweils Elektroneutralität
(Anionenkonz = Kationenkonz)
100mM KCl
5mM KCl
Das Gleichgewichtspotential II
2. Wir setzen einen K+-Kanal in die Membran ein,
der selektiv nur für K+-Ionen durchlässig ist
( = semipermeabler Kanal).
Anionen A- können nicht wandern, bleiben zurück!
3. Zunächst strömen K+-Ionen entlang des
Konzentrationsgefälles nach rechts.
Aber nicht solange bis auf beiden Seiten die
[K+-Ionen ] identisch ist! Warum??
Das Gleichgewichtspotential II
2. Wir setzen einen K+-Kanal in die Membran ein,
der selektiv nur für K+-Ionen durchlässig ist
( = semipermeabler Kanal).
Anionen A- können nicht wandern, bleiben zurück!
3. Zunächst strömen K+-Ionen entlang des
Konzentrationsgefälles nach rechts.
Aber nicht solange bis auf beiden Seiten die
[K+-Ionen ] identisch ist! Warum??
4. Der K+ Fluss kommt zum Stillstand
da dem Konzentrationsgefälle eine
elektrostatische Kraft entgegenwirkt
(Die K+-Ionen werden vom Überschuss der negativen
Ladung A- auf der linken Seite zurückgehalten)
Ergebnis:
Die Membranspannung hat sich bei -80 mV eingestellt
Jetzt fließen „netto“ keine Ladungsträger mehr
(obwohl die K-Kanäle offen!). Die Zelle ist im Ruhezustand.
Wichtig: Donnangleichgewicht!
Im Donnan GG halten sich das Konzentrationsgefälle
und eine entgegen gesetzte elektrostatische Kraft die Waage.
Diese elektrostatische Gegenkraft ist das Ruhepotential der Zelle
(= die messbare Spannung)
Das chemische Potential
treibt den K+-Fluss entlang
des Konzentratiosgradienten
Das elektrische Potential
hemmt den K+-Fluss entlang
des Konzentratiosgradienten
Im Ruhezustand gilt für K+:
Chemisches Potential = Elektrisches Potential
Das Gleichgewichtspotential
(Animation aus Lehrbuch CD Bear)
Die Einstellung des Ruhepotentials hat zwei Voraussetzungen:
1.  Konzentrationsunterschied von K+ an beiden
Seiten der Membran.
2. Semipermeable ( selektiv durchlässige) Membran,
die nur für eine Ionensorte (hier die Kationen K+) selektiv permeabel ist.
 Wenn die Ionenkonzentration im Extraund Intrazellularraum bekannt ist,
kann man das Gleichgewichtspotential
für jedes einzelne Ion ausrechnen: Eion.
 Nernstsche Gleichung
Die Nernstsche Gleichung
Typische Werte:
K+ außen: ca 5 mM
K+ innen: ca 100 mM
Kout/Kinnen: 1/20
Definition:
“Das Gleichgewichtspotential für ein Ion (Eion) ist das
Membranpotenzial das sich einstellt, wenn eine Membran
allein für dieses Ion selektiv permeabel ist.”
Typische Ionenkonzentration im Zellinneren von Neuronen
und im extrazellulären Milieu
zentrale Folie!
Ca2+
Ca2+
Na+ Cl-
Cl-
K+K + ClK+ K+
Ca2+
K+ K
Na+
Na+
Na+ Na+
+
Was bestimmt den Ionenfluss durch eine Membran?
Die Triebkraft für den Fluss eines Ions ist die Differenz zwischen
dem aktuellen Membranpotential Vm und dem Gleichgewichtspotential Eion
des jeweiligen Ions (Vm-Eion).
Je weiter das Membranpotential Vm vom
Gleichgewichstpotential Eion entfernt ist, desto stärker ist der
Ionenfluss sobald der entsprechende Ionen-Kanal offen ist:
Iion = gion (Vm-Eion)
Zelle im Ruhezustand, ca -65 mV:
 (so gut wie) kein K+-Ionenfluss trotz offener K- Kanäle
Im Ruhezustand ist K+ nahe an seinem Gleichgewichtspotential
Im Ruhezustand sind Na+ und Ca2+ weit entfernt
von ihrem jeweiligen Ruhepotential (ENa+= +62mV und ECa2+ = +123 mV).
 Na+/Ca2+ Ionenfluss sobald sich die Kanäle öffnen, die für Na+/Ca2+
durchlässig sind (siehe Aktionspotential)
Wie werden die Konzentrationsgradienten der Ionen entlang der
Membran initial eingestellt und aufrechterhalten?
 durch ATP getriebene Ionenpumpen in Plasmamembran und ER
Die Na+/K+ ATPase (Zellmembran)
pumpt 3 Na+ nach aussen und
2 K+ nach innen
(gegen den Konzentrationsgradienten)
Netto: 1 Ladung wird pro
Zyklus nach aussen geschafft
 „elektrogen“
analog: Ca2+ ATPasen an der
Zellmembran und an der
ER-Membran halten die intrazelluläre
Ca2+ Konzentration gering.
•  ca. 70% des ATP im Gehirn werden für Ionenpumpen verbraucht!!!
Struktur einer Kationenpumpe = Na+-K+-ATPase
2 K+
3 Na+
α2β2
α: katalytische UE,
bindet Na+ und K+ Ionen
β: nichtkat. accessorische UE
Zyklus der
außen
Na+-K+-ATPase
endo-Konformation:
bindet 3 Na+ Ionen
innen
Dephosphorylierung eines
Asp.restes der α Kette
 Konformationsänderung,
 Import von 2K+
exo-Konformation:
Bindet 2 K+ Ionen
Autophosphor. eines
Asp.restes der α Kette
 Konformationsänderung,
 Export von 3 Na+
Warum ist das Ruhepotential nicht identisch mit dem
Gleichgewichtspotential von K+ ?
Die Nernstsche Gleichung beschreibt das Membranpotential Vm nur näherungsweise:
1. 
K+ Kanäle in realen Nervenzellen sind zu einem geringen Grad
auch permeabel für andere Kationen, z. B. Na+ .
2.
Echte Neuronen verfügen in ihrer Membran auch über andere Ionenkanäle,
die im Ruhezustand eine gewisse Permeabilität für Na+, Ca2+, oder Cl- zeigen.
Die Goldmanngleichung: Kalkulation des Ruhepotentials
unter Berücksichtigung der relativen Ionenpermeabilitäten P
P: Permeabilitätsfaktor des Ions k
Die Goldmanngleichung: Kalkulation des Ruhepotentials
unter Berücksichtigung der relativen Ionenpermeabilitäten P
Mit Permeabilität
der Membran für K+
ca. 40 mal größer als für Na+
P (K+) : P (Na+) = 40 : 1
Struktur eines prototypischen K+-Kanals
•  K+ Kanäle: 4 Untereinheiten,
je Untereinheit 6TM Helices (S1-S6)
+Pore-Loop zw S5/S6
•  Kanal selektiv permeabel für K+
(normalerweise sehr geringe Na+-Permabilität!)
•  Gift des Skorpions (charybdotoxin CTX) blockiert Kanal
Welche Aminosäuren sind an der
Bindung des Kanalblockers beteiligt?
 über Mutagenesestudien gelang es die
Aminosäuren zu bestimmen, die das Gift binden
und daher die Kanalpore auskleiden.
•  Familie der K+ Kanäle: komplex, ca. 100 verschiedene!
Erbliche Mutationen bei K+ Kanälen:
Kanalopathien (engl.: chanelopathies)
 Vielfältige neurologische Krankheitsbilder z. B.
bei der Maus: weaver channel
bei Drosophila: shaker channel
beim Menschen: u.a. Epilepsien, Taubheit
MacKinnon 2003: Nobelpreis für X-Ray Struktur eines
bakteriellen K+ Kanals
•  „Ionenfilter“ lokalisiert in pore (P) loop.
•  Koordination der nicht hydratisierten K+ Ionen durch
Carbonyl-O der Hauptkettenatome:
ähnelt der natürlichen Hydrathülle von K+ -Ionen (quadratisches Antiprisma).
K+-Kanäle und die strukturelle Basis der
Ionenselektivität
(Nobelvortrag: MacKinnon, Ang Chem 2004, Int Ed 43, 4264)
MacKinnon 1998: X-Ray Struktur eines bakteriellen K+ Kanals
bakterieller K+ Kanal: KcsA aus Streptomyces
aufgereinigt nach Überexpression in E. coli
vereinfachte Struktur: S1-4 fehlen, lediglich S5-loop-S6
4 K+ Ionen
können gebunden
werden
(ohne Hydrathülle)
• 
• 
• 
• 
Trichterartige große Öffnung („umgedrehtes Tipi“)
Engstelle durch pore loop Helices ausgekleidet
darunter großer Wassergefüllter Hohlraum
Inneres Helixbündel schließt den Kanal zur
cytoplasmatischen Seite ab.
(bei Kanalöffnung = gating geht dieses Helixbündel auf)
MacKinnon 1998: X-Ray Struktur eines bakteriellen K+ Kanals
bakterieller K+ Kanal: KcsA aus Streptomyces
aufgereinigt nach Überexpression in E. coli
vereinfachte Struktur: S1-4 fehlen, lediglich S5-loop-S6
4 K+ Ionen
können gebunden
werden
(ohne Hydrathülle)
• 
• 
• 
• 
Trichterartige große Öffnung („umgedrehtes Tipi“)
Engstelle durch pore loop Helices ausgekleidet
darunter großer Wassergefüllter Hohlraum
Inneres Helixbündel schließt den Kanal zur
cytoplasmatischen Seite ab.
(bei Kanalöffnung = gating geht dieses Helixbündel auf)
...“Hydratisierung“ in einer hydrophoben Umgebung...
•  Koordination der K+ Ionen durch Carbonyl-O
der Hauptkettenatome ähnelt der natürlichen
Hydrathülle von K+ -Ionen:
jedes K+ durch 8 Sauerstoffatome koordiniert
(Würfel „auf Lücke“, quadratisches Antiprisma)
•  K+ Selektivität: K+ passt ohne Hydrathülle genau
in den pore loop.
•  Dehydratisierungsenergie wird durch Koordination
der Carbonylreste kompensiert.
•  bei Na+ muss ca. gleiche Dehydratisierungsenergie
aufgebracht werden, da Na+ aber kleiner ist,
ist die Koordinationsenergie zu gering um diesen
Betrag wettzumachen
Warum ist es wichtig die extrazelluläre
K+ -Konzentration zu regulieren?
Die neuronale Membran ist im Ruhezustand hauptsächlich
durchlässig für K+ Ionen (d. h. Ruhe-Kannäle = leak channnels sind permanent offen).
1. Vm Ruhepot. ~ ca EK+ Gleichgewichtspot.
2. Membranpot. sehr empfindlich auf Anstieg
der extrazellulären [ K+ ] ext. Konz.
5mM  50 mM: Vm = - 17mV
[ K+ ] ext.  Anstieg führt zur Depolarisation der Membran.
Damit fehlt die Vorraussetzung um Aktionspotentiale
zu erzeugen.
Regulation der extrazelluläre K+ Konzentration im Gehirn
•  1) Bluthirnschranke (blood brain barrier):
spezialisiertes Endothel (mit tight juctions!!)
das Blutgefäße des Gehirns auskleidet
 reguliert Elektrolytmilieu, verhindert K+ Überschuß
•  verhindert passives Eindringen von Substanzen
wie Zucker, Aminosäuren, Hormone, Antikörper, Pharmaka
 Endothelzellen verfügen über aktive Transportsysteme.
Im Extrazellularraum des Gehirns breiten sich Stoffe durch
Diffusion aus. Es gibt keinen Bereich des Gehirns der weiter
als 50µm von der nächsten Kapillare entfernt ist.
•  2) Astrozyten fungieren als K+ Puffer-System
(nehmen rasch K+ auf)
“räumlicher Kaliumpuffer“
.....aber: nicht alle erregbaren Zellen besitzen diese Schutzsysteme
i.v. Injektion von KCl führt zu Herzstillstand, Herzmuskelzellen verlieren ihre Erregbarkeit
Zusammenfassung Ruhepotential
Neuronen haben ein negatives Ruhepotential.
Na+/K+ Pumpen schaffen den Ionengradienten
Das Gleichgewichtspotential für ein Ion (Eion)
ist das Membranpotenzial das sich einstellt,
wenn eine Membran allein für dieses Ion
selektiv permeabel ist.
Der K+ -Fluss durch K+ -spezifische
Ionenkanäle (Ruhekanäle= leak channels)
stabilisiert ein Ruhepotential von ca -65mV
(nahe dem Gleichgewichtspotential von K+)
Die Triebkraft für den Fluss eines Ions ist die Differenz zwischen
aktuellem Membranpotential Vm und dem Gleichgewichtspotential Eion
des jeweiligen Ions: I ~ (Vm-Eion).
Was ein Aktionspotentialal leisten muss....
...Signalübertragung
- über weite Strecken
- schnell
- verlustfrei (ohne Dekrement)
Das Aktionspotential
Generierung
des Aktionspotentials
am Axonhügel
•  Information kann nur in einer sich ändernden Membranspannung
weitergeleitet werden (= Wandern des Nervenimpulses entlang des Axons)
Verfolgen des Aktionspotentials mittels
elektrophysiologischer Ableitungen
intrazelluläre Ableitungen:
•  feine Elektrode mit Salzlösung
sticht in die Zelle und misst
Spannungsänderungen relativ zu
extrazellulärer Referenzelektrode.
•  Zeitlicher Verlauf wird mit
Osziloskop verfolgt.
extrazelluläre Ableitungen:
intrazellulär -
+
+
+
+
•  Beide Elektroden extrazellulär.
Messelektrode sehr nah an der
Membran misst durch AP induzierte
Veränderte Partialladung.
(Ausschläge 1000 x geringer,
Kurvenverlauf invertiert gegenüber
intrazellulären Ableitungen)
extrazellulär
Verfolgen des Aktionspotentials mittels
elektrophysiologischer Ableitungen
Erste intrazelluläre Ableitungen: Hodgekin and Huxley 1939
Tintenfische (Kalmare) besitzen ein Axon mit ungewöhnlich großem Durchmesser
von 0.5-1mm = squid giant Axon (not giant squid).
ab ca 1950: Ableitungen auch an kleinen Säugerneuronen möglich.
heute: fein ausgezogene Microelektroden aus Quarzglas, < 0.5 µ Durchmesser
Das Aktionspotential
Drei entscheidende Mitspieler:
1.  Na+ Kanal:
- spannungsabhängig in seinem „Gating“ (= Öffnungs) Verhalten
(voltage gated/dependent Na+ channel)
- Na-Einstrom depolarisiert die Membran
2.  K+ Kanal
- spannungsabhängigK Kanal
- K-Ausstrom repolarisiert die Membran
(voltage gated K+ channel, andere Kannäle als Ruhekannäle)
3. Na+/K+ Pumpe
-  Aufrechterhaltung des Na+ und K+ Gradienten
-  elektrogen, pro zyklus wird eine pos. Ladung nach außen gepumpt
Was ist die Triebkraft des Aktionspotentials?
•  Ruhezustand: K+ befindet sich nahezu im GG:
Vmnahe an EK+, daher Vm-EK) 0 und somit kein Nettofluss an K+-Ionen; I
0
Ruhezustand: Na+ ist im elektochemischen Ungleichgewicht (ENa = +62 mV)
•  Diffusionsdruck und die Potentialdifferenz „ziehen“ das Na + nach innen
•  aber: Na+ Ionen können im Ruhezustand die Membran nicht passieren
(da Na+ Kanäle geschlossen!!), dies wirkt wie eine aufgeladene Batterie
•  Na+ Kanäle öffnen sich spannungsabhängig während des Aktionspotentials.
Im Gleichgewichtszustand kommt es nicht zu einem Nettofluss an Kaliumionen
Die Phasen des Aktionspotentials
1. Die Depolarisation der Membran
überschreitet einen Schwellenwert (b)
2.Spannungsabhängige
Na+ Kanäle öffnen sich,
Na+ strömt in die Zelle (gNa>>gK).
 Anstiegsphase des Aktionspot (b)
3. Die Membranspannung
kehrt sich um zu positiven Werten (c ).
Die Na+ Kanäle schließen sich.
Nun ist K+ weit weg von seinem GG
-potential EK.
(Die spannungsabh. K-Kanäle sind nicht identisch mit den
K-Kanälen, die das Ruhepotential stabilisieren = leak channels).
4. Zeitversetzt öffnen sich
Spannungsabh. K+ Kanäle,
K+ strömt entlang des elektrochem.
Gradienten aus der Zelle (gK>>gNa)
 Repolarisation (c ),
absteig. Phase des Aktionspotentials.
In (d) ist der Ausgangszustand wieder
erreicht: Vm= EK
Phasen des Aktionspotentials
wichtig: extrem schneller Prozess!
1 Aktionspotential dauert nur ca 1 ms!
Schwellenwert:
Ca. 20-30 mV
oberhalb des
Ruhepotentials
(= undershoot,
Vm< Ruhepotenzial)
Der Na+ Einstrom depolarisiert die Nervenzelle
zeitlicher Verlauf (Kinetik) der Ionenleitf:
1.  schnelle kurzanhaltende Öfnung
von Na+ Kannälen (orange)
2. zeitversetzte, langsamere aber länger
andauernde Öffnung von K+ Kanälen
3. Ein Aktionspotential dauert ca 1 ms
Der K+ Ausstrom repolarisiert die Nervenzelle
Huxley and Hodgekin 1950er Jahre
(Nobelpreis 1963)
Etabilierung der
„Voltage clamp“ Methode.
Membranspannung wird an jedem
beliebigen Wert fixiert und die
Leitfähigkeit als Funktion der sich
verändernden Ströme gemessen
I=gxV
Verwendung spez. Kanalblocker erlaubt
getrennte Analyse der Na+ und K+ Leitfähigkeit
(= “pharmakologisches Isolieren” der Komponenten
TTX Tetrodotoxin für Na Kanal; TEA (TetraethylAmoniumionen) für K-Kanal.
Nervenreizleitung beruht auf
Aktionspotenzialen"
•  Na+ -Fluß in die Zelle durch spannungsabhängige"
Na+-Kanäle bewirkt Depolarisation."
•  K+- Fluß aus der Zelle durch spannungsabhängige "
K+-Kanäle bewirkt Repolarisation. "
In"
IN"
diese K+ Kanäle werden als „delayed rectifier channels“ bezeichnet, "
"
" sie sind nicht identisch mit K+-Ruhekanälen, leak channels;"
•  K+ Kanäle sind molekular sehr divers, ca 100 veschiedene Typen!"
• 
Phasen des Aktionspotentials:
„overshoot“ und Nachhyperpolarisation „undershoot“
Overshoot: Vm > 0
Membranpot geht in Richtung E Na+ = +62mV
und damit über 0 mV hinaus.
+62 mV werden aber nie erreicht, da sich vorher
die spannungsabhängigen K+ Kanäle öffnen.
Nachhyperpolarisation:
Vm geht in Richtung E K+ = -80mV
solange spannungsabhängige
K+ Kanäle geöffnet sind.
Erst wenn sie sich wieder schließen
und lediglich die Ruhekanäle
(leak channels) geöffnet sind
stellt sich das Ruhepotential ein.
Elektrische Stimulation des Neurons:
künstliches Auslösen von Aktionspotentialen
•  Je höher die Reizintensität, desto häufiger werden Aktionspotentiale ausgelöst
•  Limit der maximalen Frequenz: 500 - 1000 Hz
•  die absolute Refraktärzeit (minimaler Abstand zw. 2 AP) beträgt ca 1 ms.
Aktionspotential (= Nervenimpuls, Spike, Entladung, discharge)
konstant in Dauer und Größe  binär, wie Morsesignale
•  Reizintensität: "
Frequenz kodierte"
Abfolge der AP "
(zeitl. Abstand der"
Spikes)"
•  Reizdauer: "
prop. zur Anzahl der Spikes "
einer bestimmten Frequenz "
(burst duration)"
•  Amplitude und Kinetik (Form) der einzelnen Spikes ist für einen Nerv konstant!"
Der spannungsabhängige
Na+-Kanal
Struktur:
•  1 lange Peptidkette mit 4 Domänen I-IV
•  Jede dieser Domänen: 6 TM-Helices S1-6
•  Die 4 Domänen bilden eine Pore
•  Einzende Domänen sind durch Loops
kovalent miteinander verbunden.
(Vergleich der Struktur mit K+ Kanal?....)
Pore loop = P-Schleife
kleidet den Kanaleingang aus:
Selektivitätsfilter für Na+ Ionen
TM-S4: Spannungssensor, misst lokale
Änderungen des Membranpotentials
 Konformationsänderung:
schlagartiges Öffnen (gating) der Pore.
Selektivitätsfilter des Na+-Kanals erlaubt Durchtritt des
Na+ Ions hydratisiert mit 1 H2O
Permabililtät des Na+-Kanal
(Na+ Ion mit 1 H2O)
Na+ >> K+,
P Na+ ca. 12 mal höher
(K-leak channels wesentlich selektiver)
Drehgleitbewegung
von S4 triggert eine
sehr rasche, quasi
schlagartige Öffnung
des Kanals (= gating).
Der Na+ Kanal durchläuft 3 verschiedenen Zustände:
geschlossen, offen und refraktär (=inaktiviert)
absolute Refraktärzeit
1) 
2) 
3) 
geschlossen
offen
refraktär (inaktiviert),
Das Membranpotential muss erst wieder den Ausgangwert des Ruhepotentials
erreicht haben, bevor sich der Na+ Kanal erneut öffnen kann: absolute Refraktärzeit
Der Na+ Kanal durchläuft 3 verschiedenen Zustände:
geschlossen, offen und refraktär (=inaktiviert)
absolute Refraktärzeit
Das Membranpotential muss erst wieder den Ausgangwert des Ruhepotentials
erreicht haben, bevor sich der Na+ Kanal erneut öffnen kann:
absolute Refraktärzeit: minimale Zeit nach der erneut ein Aktionspotential
ausgelöst weden kann
Patch Clamp Technik ermöglicht Einzelkanalableitungen
Durch Ansaugen wird ein hoher
Abdichtwiderstand erzielt
(Gigaohm seal). Gesamter Strom
fließt über Kanäle, keine Verluste
an den Pipettenrändern
Nun kann das Membranstück
mit Einzelkanälen mechanisch
entfernt werden.
Neher und Sakmann 1970er (Nobelpreis 1991)
(MPI Heidelberg)
patch clamp Technik ermöglicht die spannungsabhängigen
kinetischen Eigenschaften einzelner Kanäle zu messen
Elementarströme zeigen eine „Rechteckverlauf“
Patch Clamp Technik :
Zeitliche Summation der
Elementarströme
spiegelt den zeitlichen Verlauf der
Na+ und K+ Leitfähigkeit
während eines Aktionspotentials.
Elementarströme zeigen Rechteckverlauf:
Kanäle öffnen sich vollständig und
schliessen sich dann wieder.
K+ Einzelkanalströme:
•  zeitversetzt gegenüber Na-Strömen
•  bleiben länger offen als Na Kannäle
Patch Clamp Technik: verschiedene Ableitungstechniken
“Gigaohm seal
Häufigste Anwendung:
“Isolated patch”: Ableitungen an
kleinen Membranfragmenten:
“inside-out” oder “outside -out”
Konfiguration (siehe 2,3,unten).
Einzelkanaleigenschaften
(siehe unten 2,3).
1) “Whole cell recording”
•  schonender als intraz.
Elektroden, besonders bei
kleinen Zellen
2): Membran wird mit Kanal
•  Summeneigenschaften
aller Kanäle der Zelle
abgezogen. Mebranvesikel
öffnet sich an der Luft (nicht
gezeigt). Zellinneres liegt
außen: “inside-out”
•  Pipettenlösung kann biol.
aktive Substanzen und
Proteine enthalten.
3) In der whole cell Konfiguration
•  Ableitung an isolierten Zellen,
aber auch an Schnittpräparaten
wird Membranfragment
abgezogen.
Zelläußeres liegt außen:
“ outside -out”
Quelle: Purves et al, Chapter 4, Neuroscience (Textbook)
Eigenschaften des spannungabhängigen Na+-Kanals:
Membrandepolaristion jenseits Schwellenwert
 Sehr rasches Öffnen (Öffnungkinetik: schlartig)
•  Kanäle öffnen sich für ca 1 msec, und schliessen sich dann refraktärer Zustand
•  Kanäle offnen sich erst wieder wenn Vm = Ruhepotential
(solange sind Kanäle inaktiviert = refraktär)
•  Die Minimalzeit bis zur erneuten Auslösung eine Aktionspotential
ist die absolute Refraktärzeit.
Pharmakologie: Toxine können die Na+ Kanäle blockieren:
z. B. TTX Tetrodotoxin aus dem Kugelfisch:
Kanalblocker, Nervengift
Elektrophysiologie: selektives Blockieren der Na+ Kanäle
(Pharmakologisches Isolieren)
Informationen über Toxinbindestellen (z. B aus Mutationsstudien)
 Rückschlüsse auf 3D Struktur, Identifikation der Aminosäuren, die Pore bilden
Warum sind Aktionspotenziale unidirektional?"
1) 
2) 
3) 
Geschlossen (aber aktivierbar)
offen
refraktär (inaktiviert), geschlossen trotz
anhaltender Depolarisation, Kugeldomäne klappt nach innern
Warum sind Aktionspotenziale unidirektional?"
Refraktäre
Zone
Refraktäre
Zone
Die Refraktärzone befindet sich also immer hinter dem wandernden Aktionspotential.
Damit ist das Axonsegment nicht mehr symmetrisch.
Warum sind Aktionspotenziale unidirektional?"
(Animation aus Lehrbuch CD Bear)"
Wo erfolgt die Auslösung eines Aktionspotentials?
(Spike initiation zone)
In den meisten Neuronen erfolgt die Impulsauslösung am Axonhügel
(= axon hillock, axon initial segment).
In sensorischen Neuronen, erfolgt die Initiation in den sensorischen Endigungen.
Zusammenfassung Aktionspotential
•  Information kann nur in einer sich ändernden Membranspannung
weitergeleitet werden (= Wandern des Aktionspotentials entlang des Axons)
•  Durch das Öffnen einzelner Na+ Kanäle kommt es zu einer initialen Depolarisierung.
Übersteigt diese Depolarisierung einen Schwellenwert kommt es zur
Initiation eines Aktionspotential. Hierbei kommt es zum schlagartigen
Öffnen spannungabhängiger Na+ Kanäle: der Na+-Einstrom in die Zelle
bewirkt eine Depolarisation (aufsteigende Phase des Membranpotentials)
•  Zeitversetzt öffnen sich spannungsabhängige K+ Kanäle:
der K+-Fluß aus der Zelle heraus bewirkt eine Repolarisation der Membran
(absteigende Phase des Membranpotentials).
•  Die Membran ist nach dem Ausbilden eines Aktionspotentials einige ms
in einem Refraktärzustand, da während dieser absoluten Refraktärzeit die
Na+ Kanäle in einer inaktivierten (refraktären) Konformation vorliegen.
Die Weiterleitung des Aktionspotentials erfolgt unidirektional.
Unmittelbar hinter dem Aktionspotential, sind die Na+ Kanäle im refraktären
Zustand.
Drei Typen von Ionenkanälen
Klassifikation nach Aktivierungsmechanismus
Quelle: Purves
1) Spannungsabhängige Kanäle
(volatge gated: K+v, Na+v , Ca2+v ,Cl-v)
2) Ligandengekoppelte Kanäle
(ligand gated ion channel:
 intrazell. und extrazell. Liganden)
3) Sensorische Kanäle: aktivierbar durch mechanische Dehnung,
Hitze, Kälte, noxische Stimuli (Schmerz)
Welche Parameter bestimmen die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
des Aktionspotentials?
•  Geschwindigkeitsbestimmend ist das Ausmaß
mit der ein vor dem Impuls liegender Membranbereich
zum Schwellenwert depolarisiert werden kann.
Quelle:
Purves
λ: Längenkonstante , gibt die Länge eines Kabels an,
bei dem das Potential Vx auf 1/e = 37% abgesunken ist.
λ = √rm/ri
rm: Membranwiderstand (je weniger Kanäle desto höher)
ri : Innenwiderstand (je größer der Axondurchmesser desto
kleiner der Innenwiderstand ri, desto größer λ )
 Je größer der Axondurchmesser desto größer
ist λ und desto schneller die Impulsleitung
Quelle: Reichert, Lehrbuch
Axone mit großem Durchmesser leiten schneller
Invertebraten wie z. B. Tintenfische besitzen häufig Neurone mit großem
Durchmesser (wichtig für Fluchtreaktion).
 Andere Lösung: Isolation durch Myelinscheiden
Isolierte Axone leiten schneller
Myelinisierte Axone leiten schneller
Ranvier-Schnürring enthält Na+-Kanäle in hoher Dichte: bis zu 10.000/ µm2
Zwischen den Schnürringen verläuft die Erregunsleitung quasi verlustfrei
saltatorische Erregungsleitung: Aktionspotential „springt“ von Ring zu Ring
Ohne Myelinisierung müsste das Rückenmark des Menschen mehrere Meter dick sein
um gleiche Leitungsgeschwindigkeit zu erzielen!!
Myelinisierte Axone leiten schneller
Beispiele für Proteine der Myelinscheide:
MBP: myelin basic protein, ZNS +PNS
PLP: Proteolipid protein, ZNS
MAG und MOG: myelin associated Glycoproteins, ZNS
PMP22: periphäres Myelinprotein (22kD), PNS
P0: Protein null (ca. 80% der Myelinproteine im PNS)
Quelle: Reichert
Verlust der Myelinscheiden führt zu schweren
Neurologischen Krankheitsbildern wie z. B. bei
- Multipler Sklerose (Autoimmunerkrankung)
Typisch: red. Nervenreizleitungsgeschwindigkeit)
- peripheren Neuropathien (Charcot-Marie-Tooth-Dis.
mit Mutationen in P0, PMP22 oder Connexin 32 )
Myelinisierte Axone leiten schneller
EM: inter period line (elektronenarm)
EM: major dense line (elektronendicht)
EM: major dense line
Quelle: Reichert
Zusammenfassung Nervenreizleitung
•  Aktionspotentiale leiten Signale quasi verlustfrei.
•  die Leitungsgeschwindigkeit nicht myelinisierter Axone ist gering
und umgekehrt proportional zum Axondurchmesser.
•  Myelinisierte Axone sind dünn und fast vollständig isoliert.
•  Hohe Leitungsgeschwindigkeit durch saltatorische Erregunsleitung
(„springen“ des Aktionspotentials zw. Ranvierschen Schnürringen).