Neurobiologie Q3.1 LK

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Konzentrationsausgleich an → elektrischer Gradient: Teilchen streben Spannungsausgleich an → semipermeable Membran: (halbdurchlässig) trennt Zellinneres&-äußeres voneinander → selektive Permeabilität: lonen sind unterschiedlich mebrandurchgängig →→→→ → Natrium-Kalium-Ionenpumpe: hält Membranpotenzial durch lonentransport durch die Mebran aufrecht lonenverteilung → unausgeglichen intrazellular: → hauptsächlich Kaliumionen und organische Anionen → negativ geladen extrazellulär: → hauptsächlich Natrium & Chloridionen → positiv geladen + Extrazellulärraum Na Na CI- A Cytoplasma Na K+ CI- Na Na Na Natriumionen K* A- K+ Kaliumionen K+ A CI- K+ Chloridionen Na Na CI Natrium: kaum mebrangängig Kalium: grundsätzlich membrangängig Chlorid: vom Zelltyp abhängig organische Anionen: nicht membrangängig A → beide Kräfte heben sich sozusagen gegenseitig auf Für die negativen Chlorid-lonen sieht es ähnlich aus Zwischen diesen zwei Kräften stellt sich irgendwann ein Gleichgewicht (Gleichgewichtspotenzial). → daraus resultiert das Ruhepotenzial von 70mV CI semipermeable Membran K+ organische Anionen ZUSTANDEKOMMEN & AUFRECHTERHALTUNG DES RUHEPOTENZIALS • Durch die ungleiche lonenkonzentration inner und außerhalb der Zelle kommt es zu einem Konzentrationsgefälle.. • Der chemische Gradient der Kalium-Ionen lässt diese durch ständig geöffnete Kalium-Kanäle nach außen diffundieren. Jedes Kalium-Ion nimmt dabei eine positive Ladung mit in den extrazellulären Raum. • Die negativ geladenen organischen lonen können die Membran jedoch nicht passieren und bleiben im Zellinneren zurück. Es kommt zur Ladungstrennung und ein elektrisches Potenzial bildet sich aus. → Das Zellinnere ist negativ geladen, dass Zelläussere positiv • Durch das Konzentrationsgefälle diffundieren zusätzlich Chlorid-lonen durch Kanäle ins Zellinnere und. verstärken die negative Ladung dort. • Dem Ausstrom von Kalium-Ionen wirkt die negative Innen- sowie die positive Außenladung entgegen. → Der elektrische Gradient wirkt dem chemischen Gradient entgegen indem er die Kalium-Ionen zurückhält.. Konzentrationsgradient und elektrischer Gradient elektr. chem. elektr. Obwohl die Membran der Nervenzelle im Ruhezustand für Natrium-Ionen nicht permeabel ist, sickern einige lonen über undichte Stellen der Membran in die Zelle hinein. → Erzeugen einen Leckstrom, welcher zum langsamen Konzentrationsausgleich von Natrium-Ionen führen würde. → Der daraus resultierende Ladungsausgleich würde das Ruhepotenzial aufheben Eine Zelle ohne Ruhepotenzial ist keine erregbare Zelle mehr und kann keine Aktionspotenziale mehr ausbilden → Um das zu Verhindern sind in der Mebran Natrium-Kalium-Ionenpumpen + Extrazellulärraum Nat (Na) K+ offener K+-Kanal K+ Ruhepotential Entstehung Natrium-Kalium-Ionenpumpe К+ K+ A Zelläußeres K+ Zellinneres CI- Na Nat Cytoplasma K+ Nat K+ Na Na Na+-K+- Pumpe K+ gegen ihr Konzentrationsgefälle, transportiert. Man bezeichnet diesen Vorgang als aktiven Transport. Na Na K+ CI- Nat Na K+ K+ eingebaut. ATP → ADP Na CI- → spezielles Transportprotein, welches für die Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials sorgt Unter Spaltung von ATP in ADP+P (Energieverbrauch) werden bei jedem Transport zwei Kalium-Ionen nach innen und drei Natrium-Ionen nach außen, Nat Na CI- Natrium Leckstrom A K+ AKTIONSPOTENZIAL Das Aktionspotenzial dient der Reizweiterleitung an Nerven. Ein Aktionspotenzial ist eine schlagartig Veränderung des Membranpotenzials in den positiven Bereich. Die Änderung hält nur für einen kurzen Moment an, bis sich das Ruhepotenzial wieder einstellt. Der Ablauf eines Aktionspotenzial läuft immer gleich ab und lässt sich in verschiedene Phasen gliedern: 1 Ruhepotenzial Die Zelle befindet sich im Ruhezustand. Die Ladung beträgt ca -70 mV: Die spannungsabhängigen Natrium-&Kaliumkanäle sind geschlossen. 2 Schwellenpotenial Ein Reiz kommt an, einige spannungsabhängigen Natriumkanäle öffnen sich. Ist der ankommende Reiz stark genug, und wird das Schwellenpotenial von -50mV erreicht, öffnen sich weitere Natriumkanäle. → Aktionspotenzial wird ausgelöst Ist der Reiz zu schwach, bildet sich die Erregung zurück → keine Aktionspotenzial → ,,Alles-oder-Nichts-Prinzip" Entweder ist der ankommende Reiz stark genug und wird weitergegeben oder er ist zu schwach und bildet sich zurück. Es gibt nichts dazwischen! 3 Depolarisation Nachdem der Schwellenwert erreicht wurde, öffnen sich schlagartig viele Natriumkanäle. Viele Natrium-Ilonen strömen schnell in die Zelle ein. Das Zellinnere wird positiv. Das Mebranpotenzial des Neurons depolarisiert auf ca. +30mV. → 4 Repolarisation Die spannungsabhängigen Natriumkanäle schließen sich wieder. Gleichzeitig öffnen sich Kaliumkanäle und Kalium-Ionen strömen vom Zellinneren nach außen. Diese transportieren auf diese Weise die positive Ladung zurück in den extrazellulären Raum. Das Mebranpotenial sinkt wieder ab. → Es wird wieder negativ. 5 Hyperpolarisation Auch die Kaliumkanäle schließen sich wieder. Das Schließen dauert jedoch ca. 1-2ms. In dieser Zeit strömen noch ein paar weiter Kalium-Ionen nach außen, sodass das Mebranpotenzial noch negativer wird als das Ruhepotenzial.. Die Zelle ist nun kurzzeitig nicht mehr erregbar. → relative Refraktärzeit 6 Wiederherstellung des Ruhepotenzials Nach einer kurzen Zeit wird das Ruhepotenzial von -70mV mithilfe der Natrium-Kalium-Pumpe wiederhergestellt. Refraktärzeit: Zeit, in der nach der Depolarisation bei der erregten Zelle kein neues Aktionspotenzial ausgelöst werden kann. Man unterscheidet in 2 Phasen: → absolute Refraktärzeit: selbst durch einen sehr starken Reiz kann kein Aktionspotenzial ausgelöst werden. → relative Refraktärzeit: Zelle ist erregbar, jedoch nur durch einen sehr starken Reiz, läuft zeitgleich mit der Hyperpolarisation ab Durch die Refraktärzeit wird sichergestellt, dass sich das Aktionspotenzial nur vortläufig in Richtung Endköpchen ausbreitet, und nicht auch zurück, da dort innerhalb der Refraktärzeit kein Aktionspotenzial ausgelöst werden kann, da die Natriumkanäle kurzzeitig geschlossen und nicht erregbar sind. VERLAUF EINES AKTIONSPOTENZIALS mV +30 BC 0 -50 -70 NaO Na O Membran OK OK* Na Natrium- Kanal OK. Schwellenwert Na Reiz A Kalium- Kanal- Na NaO 2 OK* OK* 2 ,,Overshoot" benachbarten Mebranstelle. Depolarisation OK* a Aktivierungstor Na Na*O Na Repolarisation ERREGUNGSWEITERLEITUNG Hyperpolarisation A Inaktivierungstor NaO OK* Na OK* OK* Na Man unterscheidet in zwei Arten von Erregungsweiterleitung: → kontinuierliche Erregungsweiterleitung →saltatorische Erregungsweiterleitung 6 OK* Na Na A OK* (a OK* OK* Ruhepotential ms Na Na( Na OK* OK* a Na O OK* Die kontinuierliche Weiterleitung von Aktionspotenzialen über die Axone der Nervenzelle nennt man Erregungsweiterleitung. Diese funktioniert durch die ständige Neubildung von Aktionpotenzialen einer OK* KONTINUIERLICHE ERREGUNGSWEITERLEITUNG → findet an unisolierten Zellen statt, Axon ist auf voller Länge gleich strukturiert 1 Wird ein Aktionspotenzial am Axonhügel ausgelöst, so depolarisiert der nah am Zellkörper liegende Bereich der Nervenzelle. Das geschieht, da die spannungsgesteuerten Natriumkanäle sich öffnen und positiv geladene Natrium-Ionen einströmen können, die Axonmembran ist dort jetzt innen positiv und außen negativ geladen. Diese Umpolungen sind jedoch nur auf einen kurzen Membranabschnitt begrenzt. Die Nachbarberreiche befinden sich im Ruhezustand, d.h die Axonmembran ist dort innen negativ und aussen positiv geladen. Aufgrund dieser Ladungsunterschiede, welche sich gegenseitig anziehen, kommt es zu einem seitlichen Stromfluss, den Ausgleichsströmchen 2 Die Ausgleichsströhmchen bewirken die Depolarisation der Axonmembran der Nachbarbereiche. →wird der Schwellenwert erreicht öffnen sich die spannungsgesteuerten Natriumkanäle → Natrium-Ionen strömen hinein →neues Aktionspotenzial entsteht →nächster Abschnitt des Axons depolarisiert Dieser Ablauf wiederholt sich nun mehrfach und die Erregung wird kontinuierlich entlang des Axons, bis zu den synaptischen Endköpfchen geleitet. → kontinuierliche Erregungsweiterleitung Richtung der Erregungsweiterleitung Die Axonmembran der Nachbarbereiche wird jeweils so stark depolarisiert, dass ein Aktionspotenzial in beiden Nachbarbereichen ausgelöst werden könnte und somit die Erregungsleitung in beide Richtungen erfolgen könnte. Die Erregungsweiterleitung erfolgt jedoch nur in Richtung synaptischer Endköpfen, aufgrund der Refraktärzeit. → Natrium Kanäle können sich kurz nach der Ausbildung eines Aktionspotenzial noch nicht wieder öffnen. Refraktärzeit + + + + + ++ + + + + + + + + → langsamere Weiterleitung → je dünner das Axon, desto höher der Wiederstand, desto niedriger die Weiterleitungsgeschwindigkeit. → energetisch ungünstiger, da viele AP's gebildet werden müssen → keine Isolierung, also kein Schutz gegen äußere Störungen Vorkommnis im vegetative Nervensystem, da dort Geschwindigkeit und Feinsteuerung nicht essenziell sind. SALTATORISCHE ERREGUNGSWEITERLEITUNG →sprunghafte Weiterleitung bei isolierten Axonen 1 Axone sind größtenteils durch Schwann'sche Zellen isoliert. Zwischen den Schwann'schen Zellen befinden sich freiliegende Stellen, die Ranvier'schen Schnürringe. Nur an diesen marklosen Schnürringen befinden sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle und nur dort können Aktionspotenziale gebildet werden. 2 Tritt durch einen überschwelligen Reiz ein Aktionspotenzial an einem Ranvier'schen Schnürring auf, so kommt es dort zur lokalen Umpolung des Mebranabschnitts. Die Membran ist dort nun innen positiv und außen negativ geladen. Die Nachbarbereiche befinden sich im Ruhezustand, d.h. dort ist die Innenseite negativ und die Außenseite positiv geladen. → Aufgrund dieser Ladungsunterschiede, welche sich gegenseitig anziehen, kommt es zu einem seitlichen Stromfluss, den Ausgleichsströmchen. 3 Die Ausgleichsströhmchen bewirken die Depolarisation der Mebran der benachbarten Schnürringe. →wird der Schwellenwert erreicht öffnen sich dort spannungsgesteuerten Natriumkanäle. → Natrium-Ionen strömen hinein →neues Aktionspotenzial entsteht → nächster ca. 1-2 mm entfernte Schnürring wird depolarisiert Dieser Ablauf wiederholt sich nun mehrfach und die Erregung wird sprunghaft von Schnürring zu Schnürring, bis zu den synaptischen Endköpfchen geleitet. → saltatorische Erregungsweiterleitung Die Erregungsweiterleitung erfolgt nur Richtung synaptischer Endköpfen, aufgrund der Refraktärzeit. → Natrium Kanäle können sich kurz nach der Ausbildung eines Aktionspotenzial noch nicht wieder öffnen. Refraktärzeit → Eregungsleitung erfolgt schneller → Je größer der Abstand zwischen den. Schnürringen ist, desto schneller erfolgt die Weiterleitung. → Axon ist durch Isolation vor störenden Umwelteinflüssen geschützt. → Je dicker die Schwan'sche Zelle, desto besser ist die Isolierung, desto weniger Verlust. Ist im somatischen Nervensystem von Vorteil, da dadurch Arbeit mit hoher Geschwindigkeit und mit großer Feinmotorik verrichtet werden kann. SYNAPSEN Synapsen sind Kontaktstellen zwischen einer Nervenzelle und einer nachfolgenden Zelle. An ihnen findet die Übertragung von Erregung bzw. Informationen von einer Nervenzelle auf eine zweite statt. Man unterscheidet daher zwischen dem präsynaptischen und dem postsynaptischen Teil: Acetat Vesikel Cholin Cholinesterase Na Acetylcholin EPSP Endknöpfchen Präsynaptische Membran Spannungs- gesteuerter Ca²+ -Kanal Synaptischer Spalt Postsynaptische Membran Aufbau Den präsynaptischen Teil bilden Endknöpfchen einer Nervenzelle. In diesem Endknöpfchen befinden sich Vesikel, ,,kleine Membranbläschen", welche den Neurotransmitter Acetycholin enthalten. Zusätzlich liegen in der präsynaptischen Mebran spannungsgesteuerte Calciumionen-Kanäle. Der postsynaptische Teil wird durch die Zielzelle gebildet. Die postsynaptische Mebran enthält ligandengesteuerte Natriumionen-Kanäle und das Enzym Cholinesterase. Diese kann den Neurotransmitter Acetycholin in Cholin und Acetat-lonen spalten, sodass dieser nicht mehr an den Rezeptor binden kann. Zwischen dem präsynaptischen und dem postsynaptischen Teil liegt der Synaptische Spalt, welcher mit extrazellulärer Flüssigkeit gefüllt ist. ligandenabhängige Kanäle: hier die Natrium-Ionen-Kanäle, öffnen sich durch einen spezifischen Transmitter, hier durch den Neurotransmitter Acetycholin. Funktionsweise: Acetycholin bindet sich an die Rezeptoren der Natrium-Ionen-Kanäle. → dadurch öffnen sich diese dann spannungsabhängige Kanäle: hier Calcium-Ionen-Kanäle, öffnen sich durch elektrische Spannungen. FUNKTIONSWEISE 1 Erreicht ein Aktionspotenzial das Synaptische Endknöpchen depolarisiert dessen Mebran vollständig. 2 Durch diese Depolarisation öffnen sich spannungsgesteuerte Calcium-Ionen-Kanäle. Da die Calcium-Ionen-Konzentration im Bereich des synaptischen Spalts höher als im Zellinneren ist, strömen Calcium-Ionen durch die geöffneten Kanäle in das Endknöpchen ein. (Konzentrationsgradient) 3 Der Calcium-Ionen-Anstieg erzeugt ein Signal für die Vesikel im präsynaptischen Endknöpchen: Die Vesikel verschmelzen mit der präsynaptischen Mebran. (Je höher die Calcium-Ionen-Konzentration steigt, umso mehr Calcium-Ionen verschmelzen.) 4 Durch die Verschmelzung der Vesikel mit der Zellmembran werden die in den Vesikel enthaltenen Neurotransmitter, Acetycholin-Moleküle, in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. (Exozytose) 5 Die Acetycholin-Moleküle diffundieren durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran. Dort befinden sich ligandengesteuerte Natrium-Ionen-Kanäle, welche sich durch die Bindung von Acetycholin-Molekülen an einen spezifischen Acetycholin-Rezeptor öffnen. 6 Durch die nun einströmenden Natrium-Ionen depolarisiert der Berreich der postsynaptischen Mebran. Es entsteht ein postsynaptisches Potenzial (PSP). Die Stärke der Potenzialänderung hängt von der Transmittiertmenge ab, überschreiten diese einen bestimmten Schwellenwert wird am Axonhügel des nachgeschalteten Neurons ein Aktionspotenzial gebildet. 7 Nach der Signalübertragung folgt die Inaktivierung des Neurotransmitter Acetycholin. Acetycholin wird durch das Enzym Cholinesterase in Cholin und Acetat-lonen aufgespalten und kann somit nicht mehr am Rezeptor binden. Dieser ist dadurch inaktiv und die Natrium- Kanäle bleiben geschlossen. 8 Cholin diffundiert zurück zum präsynaptische Endknöpchen, wo es durch ein aktives Transportsystem wieder aufgenommen wird und mithilfe eines Enzyms wieder zu Acetycholin synthetisiert wird. Dieses Acetycholin lagert dann in neugebildeten Vesikeln bis es erneut benötigt wird. (Endozytose) → Prinzip ist materialsparend und hält die Synapse ,,allzeit bereit". Vesikel gefüllt mit Transmittermolekülen Ca-Einstrom präsynaptische Membran Acetylcholin- Rezeptoren HH ein Impuls kommt Acetylcholin- Moleküle geschlossen lonenkanäle Mitochondrium offen Acetylcholin- esterase postsynaptische Membran Hormon Rezeptor Vesikel Exozytose: → Art des Stofftransports aus der Zelle heraus Durch ein speziellen Reiz, meist ein Hormon, ausgelöst, welcher an Rezeptor der Zellmembran bindet und einen Signalweg in Gang setzt. → Verschmelzung von Vesikeln mit der Zellmembran → Freisetzung von gespeicherten Stoffen Endozytose: → Transportvorgang, bei dem eukaryotische Zellen durch Einstülpung der Plasmamembran Flüssigkeiten (=Pinozytose) oder Feststoffe (=Phagozytose) aufnehmen und in Form von Vesikeln in das Innere der Zelle transportieren. SYNAPSENGIFTE Synapsengifte (= Neurotoxine) sind Giftstoffe, die die synaptische Übertragung stören, indem sie diese abschwächen, unterbrechen oder verstärken können. Die Wirkungsweise des Neurotoxins hängt dabei vom Wirkungsort in der Synapse ab. Innerhalb der Synapse haben die Gifte verschiedene Angriffspunkte und können in drei große Berreiche aufgeteilt werden: Präsynapse: Wirkung auf die präsynaptische Membran synaptischer Spalt: Wirkung auf den Neurotransmitter → Postsynapse: Wirkung auf die Rezeptoren der lonenkanäle Präsynapse: → zwei wichtige Schritte die durch die Neurotoxine gestört werden können: Öffnung der Calciumionenkanäle: → erfolgt normalerweise durch Aktionspotenziale, sodass reguliert Calcium-Ionen einströmen können → durch Neurotoxin (,,das Gift der schwarzen Witwe"- → (a-Latrotoxin)) erfolgt ein übermäßiger Einstrom an Calcium-Ionen, dadurch kommt es zur Entleerung aller vorhandenen Vesikeln in den synaptischen Spalt Dauererregung der nachfolgenden Nervenzelle→ Muskelkrämpfe Vesikelfusion / Exozytose: → normalerweise erfolgt durch den Anstieg der Calciumionenkonzentration die Verschmelzung von Vesikeln mit dem präsynaptischen Spalt, sodass die Neurotransmitter freigesetzt werden können (Exozytose) → durch Neurotoxin (Botulinumtoxin → Botox) wird diese Vesikelfusion verhindert → Neurotransmitter kann nicht freigesetzt werden → Muskelzellen werden nicht mehr aktiviert → führt zu Lähmung der Muskulatur Synaptischer Spalt → Vorhandensein von Enzymen, die den Neurotransmitter wieder abbauen können, dient zur Regulierung der Wirkungsdauer Hemmung von abbauenden Enzymen: → Neurotoxin (Insektizit E605 ) hemmt die Aktivität des transmitterabbauenden Enzyms → Neurotransmitter kann nicht mehr in seine einzelnen Bestandteile aufgespalten werden → bleibt aktiv an Rezeptoren der lonenkanäle gebunden →lonenkanäle bleiben dadurch geöffnet → durchgängiger Einstrom von Natruimionen → Auslösung von EPSPS → Muskelkrämpfe a-Latrotoxin Ca-Kanal Na'-Kanal Na-Kanal Na-Kanal a-Latrotoxin Wirkung Botulinumtoxin Wirkung E605 Wirkung Acetylcholin Dauererregung Vesikel mit Acetylcholin - Botulinumtoxin Acetylcholin Dauererregung Postsynapse → Vorhandensein von speziellen Rezeptoren, an denen die Neurotransmitter binden können, dient zur Öffnung der lonenkanälen Bindung an Rezeptor, Variante 1 → Neurotoxin (Curare) bindet sich an Rezeptor, verhindert dadurch, dass sich der eigentliche Neurotransmitter binden kann →lonenkanäle bleiben geschlossen → kein loneneinstrom → keine Signalweiterleitung → Muskeln erschlaffen → Muskellähmung → Atemstillstand kompetitive Hemmung Bindung an den Rezeptor, Variante 2 → Neurotoxin (Gift des Pfeilgiftfrosches) →gegenteilige Wirkung zu Currare →>>> bindet an Rezeptor und verhindert dadurch die Schließung der Natriumkanäle →lonenkanäle bleiben durchgehend geöffnet → durchgängiger Natriumioneneinstrom → übermäßig Aktivierung der Muskeln Muskelkrampf Kompetitive Hemmung: → Art der Enzymhemmung, reversibel Ein Inhibitor (Hemmstoff → Neurotoxin) bindet an das aktive Zentrum (Rezeptor) eines Enzyms. Dadurch kann das Substrat (Neurotransmitter) nicht mehr an das aktive Zentrum binden, das Enzym ist gehemmt. Allgemeines Prinzip der kompetitiven Hemmung Substrat aktives Zentrum Curare Wirkung Inhibitor Enzym Substrat Inhibitor Enzym Synapsengift Latrotoxin (Schwarze Witwe) Botulinumtoxin (Bakterien) Alkylphosphate, z.B. Insektizid E 605 (Parathion), Kampfstoffe (Tabun, Serin) Curare (Pfeilgift) Atropin (Tollkirsche) Nikotin (Zigaretten) Tetrodotoxin (Kugelfische) Acetat Cholin Wirkort Präsynapse synaptischer Spalt Präsynapse verhindert Vesikelfusion Postsynapse Wirkung in Synapse erhöht Ca2+ Einstrom hemmen Lähmung Acetylcholinesterase hemmt nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren Postsynapse hemmt muskarinische Acetylcholin-Rezeptoren Postsynapse aktiviert nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren Postsynapse blockiert Na*-Kanäle Na 2 Cholinesterase (Krampf Effekt verstärkte Erregung (Muskelkrämpfe, Atemlähmung) keine Erregung (Muskellähmung) Dauererregung (Muskelkrämpfe, Atemlähmung) keine Erregung (Muskelerschlaffung, Atemlähmung) keine Erregung (Muskelerschlaffung Herzstillstand) Dauererregung (Schwindel, Übelkeit) keine Erregung (Muskelerschlaffung, Atemlähmung)