Vorlesung #2 Elektrische Eigenschaften von Neuronen

Vorlesung #2
Elektrische Eigenschaften von Neuronen,
Aktionspotentiale und deren Ursprung
Alexander Gottschalk, JuProf
Universität Frankfurt
SS 2010
Elektrische Eigenschaften von Neuronen
Elektrische Eigenschaften der neuronalen Plasmamembran bestimmt durch:
1. Lipidschicht: undurchlässig für Ionen
2. spezifische Ionenkanäle, die Lipidschicht für bestimmte Ionen
selektiv durchlässig machen
3. Ionengradienten über der Membran, durch Ionenpumpen aufrecht erhalten
Pumpen erzeugen Ionengradienten über
der Plasmamembran
ATP-getriebene Ionenpumpen erzeugen Ionengradienten über der Membran,
verbrauchen fast 70% der Energie, die in Neuron erzeugt wird:
Na+/K+-Pumpe: Tetramer aus α- und β-Untereinheiten, Konformationsänderungen exponieren 3 Na+ und 2K+ Bindestellen in Cytoplasma bzw. auf
Zellaußenseite, mit wechselnden Bindungsaffinitäten (Na+ raus, K+ rein)
weitere Pumpen nutzen den Na+-Ionengradienten, um als Sym- oder
Antiporter Gradienten anderer Ionen zu erzeugen, z.B. Ca2+/Na+ Austauscher
Die Sarco-Endoplasmatische Ca2+-ATPase bei der Arbeit
Ionengradienten in neuronalen Zellen
Ion
Innen
(mM)
Außen
(mM)
GGWPotential
(mV)
Ion
Innen
(mM)
Außen
(mM)
GGWPotential
(mV)
Na+
50
440
+ 55
Na+
18
145
+ 56
K+
400
20
- 76
K+
135
3
- 102
Cl-
40
560
- 66
Cl-
7
120
- 76
Ca2+
0,4 µM
10
+ 145
Ca2+
100 nM
1,2
+ 125
Riesenaxon des Tintenfisches
Säugerneuron
Innen- und Aussenraum der Zellen zunächst elektrisch neutral (Gegenionen)
ABER:
Plasmamembran enthält Kanalproteine, selektiv für K+-Ionen:
K+-Ionen fliessen aus Zelle (ohne Gegenion !),
resultierendes Ladungsungleichgewicht erzeugt Membranpotential (auch
durch elektrogene Na+/K+-Pumpe), Zellinneres negativ geladen
0 mV
Nernstpotential
EK
+
+
100 mM K+
10 mM Na+
10 mM Cl100 mM A-
10 mM K+
100 mM Na+
110 mM Cl-
- x mV
- +
-
-
-
100 mM K+
10 mM Na+
10 mM Cl100 mM A-
- +
- +
+ +
+
- +
+
+
JK = PK ([K+]i –[K+]0)
10 mM K+
100 mM Na+
110 mM Cl-
Ionenfluß von Kalium
+
- +
100 mM K+
10 mM Na+
10 mM Cl100 mM A-
+
+
- +
-
(P = Leitfähigkeit der Membran)
10 mM K+
100 mM Na+
110 mM Cl-
EK = Vo-Vi =
RT
zF
ln
[K+]o
= - 58 mV
[K+]i
Nernstpotential (elektrochemisches
Gleichgewichtspotential) für Kalium
Das Ruhepotential
resultiert aus einem
Fließgleichgewicht
verschiedener Ionen
Einführung von Na+-Kanal:
Na+ würde einströmen,
bis +58 mV erreicht
Æda aber K+ weiter ausströmt: Æ Fließ-GGW
Ruhepotential echter Neuronen zwischen
– 40 und –75 mV, nur ungefähr
Umkehrpotential von K+:
weitere Ionenkanäle in Membran, Fließgleichgewicht stellt sich ein:
Vm=
RT
F
x ln
Σk=1,n zkPk[Xk]0 + Σl=1,m zlPl[Yl]i
Σk=1,n zkPk[Xk]i + Σl=1,m zlPl[Yl]0
k Kationen, l Anionen
P Membranleitfähigkeit
Goldmann-Hodgkin-Katz Gleichung
K+,
Na+,
in Neuronen nur
von Bedeutung, daher:
Cl-
Vm= 58 log
PK[K+]0 + PNa[Na+]0 + PCl[Cl-]i
PK[K+]i + PNa[Na+]i + PCl[Cl-]0
Æ je größer P für Ion X, umso stärker wird Vm von X bestimmt
passive Eigenschaften der Plasmamembran
Depolarisation
Ruhepotential
Hyperpolarisation
Plasmamembran wirkt als Widerstand (Lipide), und als Kondensator
(Ladungstrennung, durch Veränderung des Membranpotentials umgeladen)
Gesamtleitfähigkeit Membran für K+: PK = 1 / RK
Kapazität C = Q/V; bei Zellmembran ca. 1µF/cm²
Zeitkonstante τ =RC; Zeit, nach der ∆V 63% von Endwert erreicht
Ersatzschaltbild für die passiven elektrischen
Eigenschaften der Plasmamembran
nur ein Ion (K+)
drei relevante Ionen (K+, Na+, Cl-)
Ionenfluß in einer „echten“ Zelle
Absolutmenge an K+-Ionen, die ausfließen müssen um in Neuron von
d=50 µm das Potential von 0 mV auf -58 mV zu bringen ist sehr gering:
Kapazität C = Q/V; ca. 1µF/cm² in echten Neuronen
um ∆V = -58 mV aufzubauen, sind 5,5 * 10-8 Coulomb / cm² nötig
1 Coulomb = 6.2 * 1018 Elementarladungen Æ Q=3,6 * 1011 Elementarl. / cm²
dZelle=50 µm, Fläche = 7,85 * 10-5 cm² Æ Ladungstrennung von 28*106 nötig
In einer Zelle ca. 4 * 1012 K+-Ionen, also muß nur ca. 1/150.000 der
Gesamtmenge an K+ aus der Zelle fließen
Æ KEINE nennenswerte Änderung der Ionenkonzentration.
Trotzdem, da dauernd Ionen durch Membran fließen, muß Zelle durch Pumpen
dagegen anarbeiten Æ diese verbrauchen ca. 70% der Energie des Neurons
Elektrotonische Eigenschaften der
Plasmamembran (passive Reizleitung)
Exzitatorische und inhibitorische post-synaptische Potentiale (EPSPs & IPSPs)
werden in Dendriten passiv fortgeleitet
Zytoplasma in Dendrit ist 107x schlechterer Leiter als Metalldraht mit gleichem d
Æ Beträchtlicher Anteil des Stromes geht durch die Membran verloren
passive Signale werden durch Widerstand von Cytosol und Kapazität von
Membran 1). abgeschwächt und 2). zeitlich verzögert, je weiter sie wandern
Signale schwächen mit Entfernung vom Ursprung ab
RM: 1.000 – 100.000 Ωcm²
je nach Art und Zustand
des Neurons
λ= 0.1-1 mm
Æ passive
Leitung nur
über kurze
Distanz
Vx = V0 e –x/λ ; λ = rm/ri ; λ = Rmd/4Ri
r = Widerstand in Segment der Länge l; R=spezifischer Widerstand
je mehr Kanäle in Membran, desto kleiner rm und λ, desto weniger weit kommt Signal
elektrotonische Leitung im Dendriten
Verzweigungen, unterschiedliche Durchmesser müssen beachtet werden,
ausserdem Randbedingungen, da Dendriten kurz
1
Extrema: 1. Dendrit endet an Punkt a, kein Strom in
axialer Richtung möglich, alles durch
Membran
Spannung fällt langsam ab
2. Dendrit öffnet sich in Raum mit grossem
Durchmesser (anderer Dendrit oder Soma),
Innenwiderstand nimmt stark ab, Membrankapazität steigt an
Spannung fällt schnell ab
2
a
b
c
x
Verzögerung und Verkleinerung transienter
Signale im Dendriten
Messung im Soma, Signalursprung
an verschiedenen Punkten:
Amplitude wird kleiner, je weiter weg
Signalursprung
zeitliche Verzögerung wird größer
Morpho-elektrotonische Transformation (MET)
Elektrotonische Länge L = x / λ
Soma
Wichtig für „backpropagation“ von Aktionspotentialen in den Dendritenbaum
MET II:
höherfrequente Signale werden stärker
abgeschwächt als niederfrequente
„low-pass filter“ durch die Membrankapazität
Zeitliche und räumliche Summation dendritischer
EPSPs erlaubt Integration von Signalen
ABER: räumliche Summation nur linear, wenn Signale
räumlich entfernt voneinander eintreffen, sonst "schließen"
sich Ströme, die Membrankondensator aufladen "kurz",
Signale schwächen sich durch Überlagerung ab, da das
erste Signal die Membraneigenschaften verändert
MET III: Elektrotonische Eigenschaften können
dynamisch sein
K+ Kanäle werden durch Depolarisierung geschlossen, Membranwiderstand
steigt, somit wird λ gross, L klein, Signale kommen leichter bis zum Soma;
stärkere Depolarisierung läßt andere K+-Kanäle öffnen Æ L wieder größer
Form dendritischer Dornen beeinflußt Stärke
von EPSPs
elektrotonische Leitung im Axon
Signal muß große Entfernung schnell überwinden (τ = RC soll klein sein)
und weit kommen (λ muß groß sein)
Æ also sollte Rm groß sein, Ri klein sein (λ = Rmd/4Ri)
(oder Durchmesser größer: rm ~ 1/d², aber dann Platzproblem...)
Problem: wenn Rm groß ist τ auch groß (τ = RC) Æ Signal wird stark verzögert
Lösung: C muß kleiner werden: "Dicke" der Isolierschicht wird erhöht Æ
Kapazität wird erniedrigt, Ladungen „spüren“ sich nicht mehr so stark
Cm ~ 1/x ; x = Dicke der Isolierschicht
(viele R in Serie zur Membran schaltet: Rm = R1+R2+…+Rx)
Î Myelinisierung
Signalgeschwindigkeit (m/sec) in myelinisierten Axonen Æ
ca. 6 x so gross wie Axondurchmesser in µm (empirischer ‚Hursh‘ Faktor)
bei gleichem Durchmesser:
Signal in myelinisiertem Axon ca. 100 x schneller als ohne Myelin
Das Aktionspotential
1 mm
aus Hodgkin & Huxley, 1939
kleine Ströme
Æ Membranpotential
folgt mit kleinen
Veränderungen
(ca. +2 bis +5 mV)
Depolarisation um 10-20 mV Æ Membranspannung folgt mit sehr großem
„Spannungssprung“
Das Aktionspotential
Schwellenwert 10-20 mV
über Ruhepotential Æ
plötzliche Depolarisation
bis ca. + 40 mV, ca. 1 ms
„Aktionspotential“
„alles-oder-nichts-Prinzip“
Æ Amplitude enthält keine
Information über Stärke
des ursprünglichen Stimulus
Spannungsgesteuerte Na+-Kanäle sind für den
Anstieg des Aktionspotentials verantwortlich
Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle
beenden das Aktionspotential
?
Spannungsklemme
Hyperpolarisation
Depolarisation
„unter Spannungsklemme“
?
?
Ströme unter Spannungsklemme, bei verschieden stark eingestellten
Depolarisationen (Umkehrpotential Na+ ca. +50 mV)
Strom-Spannungs-Beziehung
der frühen und späten Ströme
beim Aktionspotential unter
Spannungsklemme
Wodurch werden die frühen
Ströme geleitet ?
?
Ionenaustausch-Experimente
(Außenmedium Na+-frei)
Pharmakologische Blockierung der
Na+- und der K+-Kanäle
(Tetrodotoxin; Tetraethylammonium)
Refraktorische Periode und Frequenzkodierung
Rückkehr von Na+-Kanal aus inaktivem
Zustand erst ab bestimmtem Potential
möglich (negativer im Vegl. zu Spitze des
AP's Æ vorher absolute Refraktärphase
Aktionspotentiale können sich nur in
eine Richtung ausbreiten !
Refraktärphase
Frequenzkodierung der Stimulusstärke
Fortpflanzung des Aktionspotentials
passive Weiterleitung
das Aktionspotential „springt“
1-2 mm
Ranvier´scher Schnürringe
Figure 3.13. Saltatory action potential
conduction along a myelinated axon. (A)
Diagram of a myelinated axon. (B) Local
current in response to action potential
initiation at a particular site flows locally, as
described in Figure 3.12. However, the
presence of myelin prevents the local
current from leaking across the internodal
membrane; it therefore flows farther along
the axon than it would in the absence of
myelin. Moreover, voltage-gated Na+
channels are present only at the nodes of
Ranvier. This arrangement means that the
generation of active, voltage-gated currents
need only occur at these unmyelinated
regions. The result is a greatly enhanced
velocity of action potential conduction.
Panel to the left of the figure legend shows
the changing membrane potential as a
function of time at the points indicated.
Figure 3.14. Comparison of speed of
action potential conduction in
unmyelinated (upper) and myelinated
(lower) axons.
In Neuronen viele Arten von Ionenkanälen mit charakteristischen Strömen, die neuronale Aktivität bestimmen
Na+-Ströme: Inaktivierende und
nicht inaktivierende
K+-Ströme: auch inaktivierende,
andere, die durch Ca2+
moduliert sind, sehr grosse
Genfamilie
Cl--Ströme: hyperpolarisierend,
inhibitorisch
Ca2+-Ströme: cytosolisches Ca2+
hat viele Funktionen, second
messenger, beeinflußt Genexpression, Neurotransmitter
Freisetzung, moduliert Ionenkanäle, Kinasen, etc.
Unterschiedliche
Arten neuronaler
Aktivität
Berndt et al., Nat. Neurosci. 2008