Erregungsentstehung und Erregungsleitung im Neuron: Ruhepotential, Aktionspotential und Erregungsleitung (saltatorische und kontinuierliche), Aktionspotentialfrequenz

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Gradient A Somit diffundieren gleichviele Kaliumionen von innen nach außen und von außen nach innen und es kommt zu keinem Konzentrationsausgleich. extrazelluläre Flüssigkeit Kaliumkanal K Monika Grabko Zellmembran (Axon) Na-Ion Natriumkalium-Pumpe K*-lon A Cl-lon Ⓡ A Natriumkanal (geschlossen) Eiweiß-Anion Na-Leckstrom Zellinneres (Nervenzelle) A A -Natriumkanäle sind geschlossen→ wenige Natrium-Ionen strömen dennoch durch die Membran ins Innere= Leckstrom und es würde früher oder später zu einem Ladungsausgleich zwischen Extrazellularraum und Cytoplasma kommen, dies würde zu Zerstörung des Ruhepotentials führen, weshalb eine Natrium-Kalium-Pumpe notwendig ist. AbiBlick -Natrium-Kalium-Pumpe sorgt für einen Rücktransport der eingeströmten Natriumionen/ wirkt entgegen des Leckstroms. Dabei werden unter ATP Verbrauch 3 Natriumionen nach außen und 2 Kaliumionen nach innen transportiert → Das negative Membranpotential von -70mV wird aufrecht erhalten und damit das Ruhepotential bestehen. 1 Aktionspotential Definition: Das Aktionspotential ist eine Weiterleitung einer elektrischen Erregung durch Veränderung des Membranpotentials. Voraussetzungen: Kann an der Membran des Neurons nur dort entstehen, wo diese einerseits ein Ruhepotential aufweist, und wo andererseits spannungsgesteuerte Natrium- und Kalium-Ionenkanäle vorliegen. Außerdem ist ein Konzentrationsgefälle für Natrium-Ionen von außen nach innen und für Kalium-Ionen von innen nach außen unerlässlich. 1. Ruhepotential: - hier beträgt das Membranpotential -70mV Phase 3: Überschwellige Depolarisierung Phase 2: Unterschwellige Depolarisierung 5. Repolarisierung: - die Natrium-Ionenkanäle sind inaktiviert und schließen sich Phase 1: Ruhepotenzial +40 2. Unterschwellige Depolarisierung: - Dendriten nehmen Reize von umliegenden Nervenzellen auf und leiten sie über das Soma zum Axonhügel -damit das Aktionspotential ausgelöst werden kann, muss ein bestimmter Schwellenwert (ca. -50mV) erreicht sein - der Reiz öffnet einige Natrium-Ionenkanäle - es gilt das „Alles oder nichts Gesetz" → entweder der Schwellenwert wird überschritten und das Aktionspotential läuft ab oder der Schwellenwert wird nicht überschritten und es wird keine Reaktion ausgelöst -die Aktionspotentiale verlaufen am selben Axon immer gleich, aber sowohl hinsichtlich der Werte des Membranpotentials als auch der Dauer der einzelnen Phasen 3. Überschwellige Depolarisierung: - durch äußeren Reiz öffnen sich einige spannungsabhängige Natrium-Ionenkanäle, dadurch diffundieren einige Natrium-Ionen ins Zellinnere → Die Spannung im Zellinneren wird positiver Ē +20 -20 -40 -60 Phase 4: Peak - es kommt zum Overshoot (Peak) - die kurzzeitige starke Änderung des Membranpotentials heißt Aktionspotential Monika Grabko Phase 6: Hyperpolarisierung Zeit in ms Phase 5: Repolarisierung Schwellenwert 4. Depolarisation/ Peak: - Aufgrund des Konzentrationsgradienten strömen so viele Natrium-Ionen in das Axon, dass die Membran vollständig depolarisiert wird und sich die Ladungsverhältnisse sogar umkehren: Die Innenseite ist dann positiv gegenüber der Außenseite Phase 7: Wiederherstellung des Ruhepotenzials - Spannungsgesteuerte Kalium-Ionenkanäle öffnen sich - Aufgrund der positiven Ladung im Inneren und aufgrund des Konzentrationsgradienten diffundieren Kalium-Ionen nach außen → ursprünglichen Ladungsverhältnisse werden wiederhergestellt: Innenseite wird wieder negativ gegenüber der Außenseite, elektrische Spannung auf der Innenseite sinkt 6. Hyperpolarisierung: - Kalium-Ionenkanäle schließen sich deutlich langsamer als Natrium-Ionenkanäle - in dieser Zeit diffundieren zu viele Kaliumionen nach außen → daher sinkt die Spannung unter das eigentliche Ruhepotential (Hyperpolarisation: ca. -90mV) Phase 8: Ruhepotenzial 7. Wiederherstellung des Ruhepotentials/ Refraktärphase: - einmal geöffnete Natrium-Ionenkanäle sind bis zum Erreichen des Ruhepotentials blockiert → kein erneutes Aktionspotential möglich: Nervenzelle ist unerregbar (2ms) -Phase vom Beginn des Aktionspotentials bis zum Wiedererreichen des Ruhepotentials= Refraktärphase 8. Ruhepotential/ Rückkehr zum Ausgangszustand - verstärkter Einstrom von Kalium-Ionen durch den offenen Kalium-Ionenkanal bringt das Membranpotential wieder auf den Wert des Ruhepotentials - Konzentration der Natrium-Ionen im Inneren ist höher, die Konzentration der Kalium-Ionen niedriger als vor dem Aktionspotential = Natrium-Kalium-Ionenpumpen julieren die Spannung wieder auf -70mV - das Axon ist bereit für das nächste Aktionspotential 2 Weiterleitung des Aktionspotentials Axone dienen zur Weiterleitung von Erregung, also von Aktionspotentialen - die Weiterleitung kann auf zwei Arten geschehen: 1. Die saltatorische Erregungsleitung und 2. Die kontinuierliche Erregungsleitung. Saltatorische Erregungsleitung Aktionspotenzial springt von (nicht myelinisiertem) Schnürring zu Schnürring, myelinisierte Bereiche werden übersprungen. Genauer: Aktionspotential entsteht am Schnürring, da nur da spannunsgesteuerte lonen-Kanäle vorhanden sind → elektrischer Strom fließt durch das Axon und kann erst wieder am nächsten Schnürring austreten → erneute Depolarisierung und AP. Vorteile: schnell auch bei dünnen Axonen/ weniger ATP nötig Kontinuierliche Erregungsleitung +++++ 5 mm in 1 ms Saltatorische Erregungsleitung 5 mm in 0,1 ms Axon Monika Grabko = Spannungsgesteuerter Natrium-lonenkanal = Myelinscheide Kontinuierliche Erregungsleitung Bei marklosen Axonen (ohne Myelinschicht). Die Depolarisation der Zellmembran bewirkt die Erregungsauslösung in benachbarten Zellabschnitten. So breitet sich die Erregung wellenförmig von Abschnitt zu Abschnitt aus. Nachteile: Langsam, viel ATP-Verbrauch. Aktionspotentialfrequenz Die Amplitude eines jeden Aktionspotenzials ist immer gleich hoch, aber die Anzahl der pro Sekunde gebildeten Aktionspotenziale kann variieren: kleiner Reiz = niedrige AP-Frequenz, starker Reiz = hohe AP-Frequenz. Ein überschwelliges Membranpotenzial am Axonhügel wird in eine Folge von Aktionspotenzialen umgesetzt. Dabei gilt: Je stärker der Schwellenwert überschritten wird, desto mehr Aktionspotenziale werden pro Sekunde gebildet. →Da das Membranpotenzial am Axonhügel von der Intensität der Reize beeinflusst wird, die auf die Dendriten oder das Soma der Nervenzelle einwirken, kann man sagen: Die Reizintensität wird am Axonhügel durch die Aktionspotenzialfrequenz codiert. 3