Ruhe & Aktionspotenzial

Das Zusammenspiel verschiedener Gewebe oder Organe erfordert eine gute Abstimmung zwischen den einzelnen Zellen und daher oft eine sehr schnelle Kommunikation über weite Strecken hinweg. Die schnelle Zellkommunikation kann durch die Übertragung von elektrochemischen Signalen gewährleistet werden. Dazu werden geladene Teilchen transportiert, sog. Ionen, deren Verteilung in Zellen genau kontrolliert wird. Entsteht dadurch eine Ladungsveränderung der Zelle, spricht man von einem elektrogenen Transport. Im Gegensatz dazu werden beim elektroneutralen Transport entweder nur ungeladene Stoffe transportiert oder die transportierten Ladungen gleichen sich gegenseitig aus, sodass die Ladung der Zelle insgesamt unverändert bleibt. Durch die Verteilung von Ladungsträgern entlang der Zellmembran stellt sich eine Potentialdifferenz ein, die man als Ruhepotential bezeichnet und zu deren Aufrechterhaltung Energie aufgewendet werden muss. Der Transport von Ladungsträgern durch eine Zellmembran führt zu einer Veränderung des Potentials entlang der Membran und kann gezielt zur Übermittlung von Informationen genutzt werden. Ist die Potentialveränderung groß genug, bildet sich ein sog. Aktionspotential.

Ionen liegen innerhalb & außerhalb von Zellen in unterschiedlichen Konzentrationen vor es kommt an der Zellmembran zu einer Ladungsverteilugn, dem Potenzial die wichtigsten Ionen, die ein solches Potenzial erzeugen, sind: Natrium:  EZ: 140 mmol/l, IZ: 10 mmol/l Kalium: EZ: 5 mmol/l, IZ: 150 mmol/l Calcium: EZ: 2mmol/l, IZ: 10 ^-5/l Chlorid: EZ: 105 mmol/l, IZ: 7 mmol/l Protein Anionen: EZ: 5 mmol/l, IZ: 155 mmol/l

Liegt an einer Membran ein Konzentrationsgefälle von Ionen vor, so kommt es durch den Ladungsunterschied auf beiden Seiten der Membran zum Aufbau einer Spannung (= Membranpotential). Dieses kann mithilfe zweier Gleichungen ermittelt werden: Nernst-Gleichung: Bei einem Konzentrationsgefälle einer Ionensorte: Formel: UG = (60 mV / z) × lg(cextern / cintern) UG = Gleichgewichtspotential, z = Ladung der betrachteten Ionen, cextern = Konzentration der Ionen außerhalb der Zelle, cintern = Konzentration der Ionen innerhalb der ZelleAbgeleitet von der Nernst-Gleichung für Konzentrationszellen Goldmann-Gleichung: Bei einem Konzentrationsgefälle mehrerer Ionensorten: Formel: UM = RT / F × ln((PNa × cNa,ext + PK × cK,ext + PCl × cCl,int) / (PNa × cNa,int + PK × cK,int + PCl × cCl,ext)) UM = Membranpotential, R = Gaskonstante, T = Temperatur, F = Faraday-Konstante, P = Permeabilität der Membran für das jeweiligeIon, cext = Konzentration der Ionen außerhalb der Zelle, cint = Konzentration der Ionen innerhalb der ZelleGoldmann-Gleichung ist abgeleitet von der Nernst-Gleichung für Konzentrationszellen (s.o.)

• Die Lipiddoppelschicht trennt Extra- & Intrazellularraum • Im Intrazellularraum gibt es viele positve Kaliumionen & viele negative Proteine • Im Extrazellularraum gibt es viele positve Natriumionen & viele negative Chloridionen • Durch die Konzentrationsunterschiede ergibt sich ein chemisches Potenzial, was ausgeglichen werden will • Die Kalium Natriumpumpe sorgt hauptsächlich für die Entstehung vom Ruhepotenzial • Die Natrium Kalium ATPase befördert drei Natrium raus (Nazis raus) & 2 Kalium rein.. das Zellinnere wird so im Vergleich zum Äußeren immer negativer • es hat sich nun auch ein elektrisches Potenzial aufgebaut • in der Membran gibt es noch offene Kaliumkanäle. Kalium strömt durch diese wieder raus, um den chemischen Gradienten auszugleichen • das Zellinnere wird dadurch noch negativer, das elektrische Potenzial steigt also • die Kaliumionen werden nun vom negativen Zellinneren angezogen & strömen ins Innere • wenn chemische & elektrische Kraft gleich stark sind, wandert Kalium nicht mehr durch seine Kanäle • es entsteht ein Gleichgewicht zwischen chemischer & elektrischer Kraft • das Ruhepotenzial ist nun erreicht • Ruhepotenzial = Spannungsunterschied zwischen Innen- & Außenraum einer nicht erregten Zelle • es liegt bei -70 mV • Das RP entspricht mehr oder weniger dem K+-Gleichgewichtspotential, welches entsprechend den in der Zelle vorliegenden Ionenkanälen variiert: Neuronen ≈ -70mV, Muskelzellen (Skelett und Herz) ≈ -90mV, Gliazellen ≈ -90mV!

Die Ladung entlang einer Membran kann von dieser nicht abgeschirmt werden, sodass es zur Entstehung eines Diffusionspotentials an der Membran kommt, welches man Ruhepotential nennt. Es beträgt normalerweise -70mV Elektrochemische Kommunikation erfolgt nun durch Veränderung dieses Ruhepotentials. Diese Änderung wird als Aktionspotential bezeichnet; es entsteht meist auf die gleiche Weise. Eine Ausnahme sind die Herzmuskelzellen, deren Aktionspotentiale anders aussehen und gebildet werden

• Die Zelle ist in Ruhe & unerregt, das Potenzial liegt bei - 70 mV, innen ist es negativ, außen positiv • Bei einem Reiz kommt es zum Anstieg des Membranpotenzials, Natriumionen strömen in das Innere der Zelle • Wird der Schwellenwert von -55 mV erreicht, öffnen sich zusätzlich spannungsabhängige Natriumkanäle • Dann kommt es zu einer Depolarisation, es kommt zu einem Aufstrich bis zum Maximum, das Membranpotenzial nähert sich dann dem Natriumgleichgewichtspotenzial von +60 mV. Kaliumkanäle sind geschlossen. Innen ist es positiv, außen negativ • Darauf öffnen spannungsabhängige Kaliumkanäle & die Repolarisation beginnt. Kaliumionen strömen nach außen & es kommt zu einer Inaktivierung der spannungsabhängigen Natriumkanäle • Hyperpolarisation: • Nach der Repolarisation sind noch einige K+-Kanäle offenUrsache ist die gesteigerte Aktivität der K+-Kanäle durch während der Depolarisation eingeströmtes Ca2+, das nur langsam entfernt wird• Weiterhin K+-Ausstrom und Annäherung an K+-Gleichgewichtspotential • Refraktärzeit: • Bezeichnung für die Zeit nach einer Depolarisation, in der die Zelle nicht oder nur schwer und schwächer erregt werden kann. • Absolute Refraktärphase: Na+-Kanäle sind inaktiviert und es kann kein neues AP ausgelöst werden, unabhängig davon wie stark der eintreffende Reiz ist • Relative Refraktärphase: Einige Na+-Kanäle sind wieder aktivierbar, haben jedoch eine erhöhte Reizschwelle, sodass nur ein starker Reiz ein neues AP auslösen kannDieses AP hat dann auch eine niedrigere Amplitude als ein "normales" AP    

Neuronen: 1 ms Skelettmuskelzelle: 10 ms Herzmuskelzelle: 300 ms

AP`s funktionieren nach dem Alles oder nichts Prinzip, entweder der Reiz ist stark genug, dass er das Schwellenpotenzial erreicht - 50 mV & es entsteht ein AP oder nicht Stärke des Reizes wird durch die aufeinnder folgende Aktionspotenzialfrequenz wiedergegeben Rheobase: Minimale Stromstärke , bei der ein Aktionspotential ausgelöst wirdChronaxie: Minimale Zeitspanne, in der ein Aktionspotential bei doppelter Rheobasenstärke ausgelöst wird

Kontinuierliche Erregungsleitung: Langsame Reizleitung entlang einer nicht-myelinisierten Nervenfaser (= marklos)  Auslösung des Aktionspotentials: An einem beliebigen Membranbereich, an dem das Schwellenpotential überschritten wird Transport des Aktionspotentials: Depolarisation des Membranbereichs sorgt für die Öffnung spannungsabhängiger Natriumkanäle in einem benachbarten Bereich (Depolarisation „wandert“ entlang der Zellmembran) Saltatorische Erregungsleitung: Schnelle Reizleitung entlang einer durch Gliazellen myelinisierten Nervenfaser (= markhaltig)  Auslösung des Aktionspotentials: Nur in nicht-isolierten Membranbereichen (Schnürringe), in denen das Schwellenpotentialüberschritten wird Transport des Aktionspotentials: Depolarisation eines Schnürrings führt zur Öffnung spannungsabhängiger Natriumkanäle am nächsten Schnürring (Depolarisation „springt“ entlang der Zellmembran) je dicker die Myelinscheide, desto schneller ist die Erregung