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können Membran passieren ➜ Permeabel, meist nur eine Sorte von lonen Elektrischer Stromfluss, von lonenkanälen begrenzt, Abhängigkeit von Anzahl der offenen Kanäle lonenkonzentration in Zellen Unterschiedliche lonenkonzentration in Intra- & Extrazellulärraum Zellinneres reich an Kaliumionen → Außenseite der Zelle reich an Natrium- & Chloridionen Potentialdifferenz über der Zellmembran Gleichgewichtspotential In mV gemessen, Potential der Zellaußenseite auf null gesetzt Negative Potentialdifferenz wenn Zellinneres negativer als Zelläußeres geladen ist Abhängigkeit von: Membranpotential, Temperatur & Ladung des lons hypothetisch Ruhepotential Potenzial zum Umgebungsmedium, Zellinneres meist negativ geladen K+ & Na+ bestimmen das Ruhepotential Alle vorkommenden lonen bestimmen zusammen das Ruhepotential der Zelle lonenart, die am leichtesten die Membran durchdringt, mit größtem Beitrag Ruhepotential eines Säugetiers zwischen -40 & -75 mV Hauptsächlich von K+ bestimmt, geringer Einfluss von Na+ Zellmembran wesentlich besser für K+ permeabel Gespeicherte Energie im Ruhepotential Konzentrationsgefälle für Na+-Ionen ins Zellinnere gerichtet Starke Tendenz in Zellinneres einzudringen Form von gespeicherter elektrochemischer Energie Stromfluss bei Öffnung des Natriumkanals Aufrechterhaltung des Ruhepotentials Transportprotein in Zellmembran entfernt ständig eindringenden Na+-Ionen Natrium/Kalium-Pumpe 3 Natriumionen aus Zellinneren gelangen in Extrazellulärraum, 2 K+-lonen im Gegensatz in den Intrazellulärraum Unter ATP Verbrauch Zellinneres wird immer negativer, zusätzlich K+-Leckstrom Potenzialdifferenz wird immer negativer → K+-lonen werden vom negativen Zellinneren angezogen Na+/K+-Pumpe 50-70% des Energieumsatzes in Neuronen Elektrochemische Energie dient zur Erzeugung von elektrischen Signalen Einstrom von Na+ in die Zelle Verstärkte Aktivität der Na+/K+-Pumpe zur Regeneration des Ruhepotentials extrazelluläre Flüssigkeit 70 CL Kaliumkanal Zellmembran (Axon) A CL Zellinneres (Nervenzelle) Na -lon CL CL Natrium/Kalium-Pumpe A K-lon CI -lon CL CL Natriumkanal (geschlossen) Eiweiß-Anion CL Na-Leckstrom AbiBlick Aktionspotential Entsteht im Axonhügel Zellmembran wird gereizt -> zwei verschiede Reaktionen Membranpotential folgt passiv dem Reizstrom, kehrt langsam zum Ruhepotential zurück ➜ Impuls bewirkt Hyperpolarisation oder nur leichte schwache Depolarisation Depolarisation bis zu einem bestimmten Schwellenwert Aktive Erzeugung eines elektrischen, synaptischen Signals -> Aktionspotential ➜ Von der Zelle aktiv und unter Energieaufwand erzeugtes Signal Ausgangssignal wird verstärkt Eigenschaften des Aktionspotentials Alles-oder-nichts-Prinzip Schwellenwert wird erreicht -> voll ausgebildetes Aktionspotential Höhe des Aktionspotentials hängt von den Eigenschaften der Nervenzelle ab Charakteristische Form 1. Langsamer Anstieg der Membrande- polarisierung bis zum Schwellenwert 2. Blitzschnelle Depolarisation Membranpotential positiv 50 mV Entstehung des Aktionspotentials Omv ➜ Overshoot 3. Fast ebenso schnelle Repolarisation 4. Ruhepotenzial wird dabei oft unterschritten, Hyperpolarisation Aktionspotenziale dauern in der Regel 2 ms Refraktärzeit Membran direkt nach einem Aktionspotential nicht erregbar Absolute Refraktärzeit: Erregbarkeit sinkt auf null ab Relative Refraktärzeit: verminderte Erregbarkeit ➜ Keine Dauererregung Maximale Impulsfrequenz für jedes Neuron Depolarisation -50 mV Schwellenpotential 100 mV 1. Reiz Overshoot unterschwelliger Reiz 2 ms Repolarisation 5. Hyperpolarisation 6 ms 4 ms Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen als Reaktion auf Membrandepolarisation Beim Erreichen des Schwellenwerts ➜ Na+-Ionen gelangen in Zelle, Membranpotential wird positiver Je positiver das Membranpotential, desto mehr Natriumkanäle öffnen sich Membranpotential verschiebt sich zum Positiven Natriumkanäle verschließen sich ab Membranpotential von ca. 50 mV Zellinnere positiv geladen K+-lonen werden aus Zelle getrieben, Repolarisation Ruhepotential stellt sich ein Natriumkanäle regenerieren sich während Refraktärzeit Impuls und Information Zentraler Vorgang der Erregungsbildung Voraussetzung für das Funktionieren von Nervensystemen Signale werden verlustfrei im Nervensystem fortgeleitet Erregungsleitung im Axon Leitungsgeschwindigkeit im Axon je nach Zelltyp zwischen 0,4 & 120 m/s Seitlicher Stromfluss innerhalb des Axons während eines Aktionspotentials Membranbereiche vor und hinter dem Aktionspotential werden depolarisiert Überschreitung des Schwellenpotentials -> Öffnung der Na+-Kanäle an dieser Stelle → Neues Aktionspotential wird ausgelöst Impuls bewegt sich wellenartig durch das Axon Vor dem Aktionspotential liegende Bereiche werden depolarisiert Strömchentheorie Nervenimpulse verlaufen nur in eine Richtung Axon leitet umso schneller, je größer sein Durchmesser Erregungsübertragung an den Synapsen Synapsen in drei Bereiche unterteilt: Präsynaptische Endung des Neurons, synaptischer Spalt & Zellmembran der postsynaptischen Zelle Informationsübertragung an der Synapse 1. Aktionspotential trifft in präsynaptischer Endung ein, Depolarisation, Öffnung der spannungsabhängigen Calciumkanäle 2. Anstieg der Calciumkonzentration -> synaptische Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran 3. Transmittermoleküle aus den Vesikeln diffundieren zur postsynaptischen Membran 4. Transmittergesteuerte lonenkanäle öffnen bei passendem Transmitter 5. Transmitter wird durch Enzyme abgespalten, zeitlich begrenzte Öffnung des lonenkanals 6. loneneinstrom im postsynaptischen Neuron, Veränderung des Membranpotentials Postsynaptisches Potential PSP 7. Bei überschwelliger Depolarisation entsteht am Axonhügel ein neues Aktionspotential 8. Transmitter im synaptischen Spalt wird gespalten 9. Abbauprodukte werden recycelt 10. Aktive Aufnahme an präsynaptischer Endung 11. Steht für einen neuen Zyklus zur Verfügung Natrium ecenkanal Calcium Jonenkanal ynaptisches Bläschen mit Acetylcholin synaptischer Spalt post- synaptische Membran Cholinesterase