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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 K+ K+ CI- A Cytoplasma (Nat K+ K+ CI- Na Na Nat A- Natriumionen Nat K+ K+ A Kaliumionen K+ Nat CI- Na A K+ K+ Chloridionen Nat Nat CI- K+ Natrium: kaum mebrangängig Kalium: grundsätzlich membrangängig Chlorid: vom Zelltyp abhängig organische Anionen: nicht membrangängig → 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 A- K+ Na 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-lonen 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 A K* K* A- K* K. K+ K. K+ chem. elektr. chem. elektr. CI CI- CI CI CI- 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 A Nat K+ offener K+-Kanal IMMI K+ Ruhepotential Entstehung Natrium-Kalium-Ionenpumpe K+ K+ K+ CI- A Zelläußeres Zellinneres K+ CI- Nat Cytoplasma K+ Nat K+ Nat Nat Na Na+-K+- Pumpe (K+ gegen ihr Konzentrationsgefälle, transportiert. Man bezeichnet diesen Vorgang als aktiven Transport. K+ A Nat Nat K+ CI- Nat Nat K+ K+ eingebaut. Nat 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, K+ ATP → ADP Nat Nat Nat CI- Natrium Leckstrom A 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: 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-Ionen 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 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 a 0 B (CI -50 -70 Na Na Membran K* Na Natrium- Kanal OK* Schwellenwert Na Ch Reiz A Kalium- Kanal- Na O 2 2 Nat OK+ OK* ,,Overshoot" Na Depolarisation benachbarten Mebranstelle. OK* CI Aktivierungstor Na Na Repolarisation ERREGUNGSWEITERLEITUNG Hyperpolarisation A Inaktivierungstor Na OK* C CI Nat Rumm Na K+ Na Nat (c Man unterscheidet in zwei Arten von Erregungsweiterleitung: → kontinuierliche Erregungsweiterleitung. →saltatorische Erregungsweiterleitung Nat Nat OK* A OK* A CI OK* Ruhepotential Na C Cr OK* Nat (C ms A Na CI Na K* OK* CIT OK* (Cr Na O Die kontinuierliche Weiterleitung von Aktionspotenzialen über die Axone der Nervenzelle nennt man Erregungsweiterleitung. Diese funktioniert durch die ständige Neubildung von Aktionpotenzialen einer CI