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Kapitel 4

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Kapitel 4

  1. 1. Kapitel 4 – Das Aktionspotenzial(Deutsche Fassung: Von Seite 83 bis Seite 97 „Die Auswirkungen von Toxinen auf den Natriumkanal zusammengefasst von Christine Trenner)EinführungWie wir bereits in Kapitel 3 erfahren haben, ist das Cytosol des Neurons im Ruhezustand imVerhältnis zur extrazellulären Flüssigkeit negativ geladen. Das Aktionspotenzial ist eine schnelleUmkehrung dieser Situation in der Form, dass kurzzeitig das Innere der Membran im Verhältnis zurAußenseite positiv geladen ist. Das Aktionspotenzial bezeichnet man häufig auch als spike,Nervenimpuls oder Entladung.Die Aktionspotenziale, die eine Zelle erzeugt, haben alle dieselbe Größe und Dauer, und sie nehmennicht ab, wenn sie ein Axon entlang weitergeleitet werden. Entscheidend für die Codierung vonInformationen sind die Frequenz und das Muster von Aktionspotenzialen. Sie bilden den Code, dendas Nervensystem für die Verarbeitung von Informationen nutzt.Verlauf eines AktionspotenzialsWährend des Aktionspotenzials wird das Membranenpotenzial kurzzeitig positiv. Da dies 100-malschneller als ein Augenzwinkern erfolgt, verwendet man eine bestimmte Art vonSpannungsmessgerät, ein sogenanntes Oszilloskop, um Aktionspotenziale zu untersuchen.Das Membranpotenzial enthält bestimmte charakteristische Abschnitte. Der erste Abschnitt wird alsAufstrich bezeichnet und ist durch eine schnelle Depolarisation der Membran gekennzeichnet. DieseVeränderung des Membranpotenzials setzt sich fort, bis Vm ein Maximum von etwa 40mV erreicht.Den Abschnitt des Aktionspotenzials, bei dem das Innere des Neurons im Verhältnis zur Außenseitepositiv geladen ist, bezeichnet man als overshoot. Die fallende Phase des Aktionspotenzials ist eineschnelle Repolarisation, bis die Membran tatsächlich negativer ist als das Ruhepotenzial. Diesenletzten Abschnitt der fallenden Phase bezeichnet man als undershoot oder Nachhyperpolarisation.Schließlich stellt sich das Ruhepotenzial allmählich wieder ein. Vom Anfang bis zum Ende dauert dasAktionspotenzial etwa zwei Millisekunden (ms).Exkurs 4.1 – Methoden für die Messung von AktionspotenzialenMethoden für die Untersuchung von Nervenimpulsen lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen:intrazelluläre und extrazelluläre Messungen. Für eine intrazelluläre Messung ist es erforderlich, dasNeuron oder Axon mit einer Mikroelektrode anzustechen. Die geringe Größe der meisten Neuronenmacht diese Methode zu einem schwierigen Unterfangen.Das Ziel der intrazellulären Messung ist einfach: Es soll die Potenzialdifferenz zwischen der Spitze derintrazellulären Elektrode und einer Referenzelektrode in der Lösung, die das Neuron umgibt,gemessen werden. Die intrazelluläre Elektrode ist mit einer konzentrierten Salzlösung gefüllt, dieeine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Die Elektrode wird mit einem Verstärker verbunden, derdie Potenzialdifferenz zwischen dieser Elektrode und der Referenzelektrode misst. Diese Spannunglässt sich in einem Oszilloskop darstellen. Das Oszilloskop sendet einen Elektronenstrahl von linksnach rechts quer über einen Leuchtschirm. Senkrechte Auslenkungen dieses Strahls zeigenVeränderungen der Spannung an.Zum Aktionspotenzial gehöht eine Abfolge von Ionenbewegungen durch die Nervenzellmembran.Diese elektrischen Ströme lassen sich nachweisen, ohne dass man das Neuron anstechen muss,indem man eine Elektrode in der Nähe der Membran platziert.Dies ist die Grundlage der extrazellulären Messung. Wir messen wieder die Potenzialdifferenzzwischen der Spitze der Messelektrode und der Referenzelektrode. Die Elektrode kann eine feineGlaskapillare sein, die mit einer Salzlösung gefüllt ist, häufig handelt es sich jedoch um einen dünnen Seite 1 von 9
  2. 2. isolierten Metalldraht. Normalerweise ist die Potenzialdifferenz zwischen der extrazellulärenMesselektrode und der Referenzelektrode beim Fehlen einer neuralen Aktivität gleich null. Wenn dasAktionspotenzial jedoch an der Messstelle ankommt, fließen von der Messelektrode positiveLadungen in das Neuron ab. Wenn sich dann das Aktionspotenzial wieder von der Elektrode entfernt,fließen positive Ladungen durch die Membran nach außen zur Elektrode. Das extrazelluläreAktionspotenzial ist also gekennzeichnet durch eine kurze Wechselstrompotenzialdifferenz zwischenMesselektrode und Referenz.Diese Veränderungen der Spannung lassen sich mit einem Oszilloskop beobachten, aber man kannsie auch mithilfe eines Verstärkers mit Lautsprecher hörbar machen. Jeder Impuls ergibt dann eindeutliches „Pop“-Geräusch. Tatsächlich klingt die Messung eines aktiven sensorischen Neurons wiedir Herstellung von Popcorn.Die Erzeugung des AktionspotenzialsIn Kapitel 3 haben wir festgestellt, dass eine Verletzung der Haut durch eine Reißzwecke ausreicht,um ein Aktionspotenzial eines sensorischen Nervs hervorzurufen. Wir wollen uns nun anhand diesesBeispiels ansehen, wie ein Aktionspotenzial beginnt.Die Wahrnehmung eines deutlichen Schmerzes, wenn die Reißzwecke in den Fuß eindringt, wirddurch die Erzeugung von Aktionspotenzialen in bestimmten Nervenfasern in der Hauthervorgebracht. Die Membran dieser Fasern besitzt eine bestimmte Art von Natriumkanälen, die sichöffnen, wenn das Ende des Nervs gedehnt wird. Die ursprüngliche Ereignisfolge ist also folgende:1. Die Reißzwecke dringt in die Haut ein.2. Die Membran der Nervenfaser in der Haut wird gedehnt.3. Na+-permeable Kanäle öffnen sich.Aufgrund des starken Konzentrationsgradienten und der negativen Ladung des Cytosols dringen Na+-Ionen durch diese Kanäle in die Faser ein. Dadurch wird die Membran depolarisiert, das heißt, diecytoplasmatische Oberfläche der Membran wird weniger negativ. Wenn diese Depolarisation, dieman als Rezeptorpotenzial bezeichnet, einen kritischen Wert erreicht, erzeugt die Membran einAktionspotenzial. Das kritische Niveau der Depolarisation, das überschritten werden muss, um einAktionspotenzial auszulösen, bezeichnet man als Schwellenwert.Die Depolarisation, die ein Aktionspotenzial erzeugt, entsteht in verschiedenen Neuronen aufunterschiedliche Weise. Im Beispiel oben wird die Depolarisation durch das Eindringen von Na+ überspezialisierte Ionenkanäle verursacht, die für das Dehnen von Membranen empfindlich sind. In denInterneuronen wird die Depolarisation normalerweise durch das Eindringen von Na+-Ionen durchKanäle erzielt, die auf von anderen Neuronen freigesetzte Neurotransmitter reagieren. Neben diesennatürlichen Mechanismen können Neuronen auch durch elektrischen Strom über eineMikroelektrode depolarisiert werden, eine Methode, die Neurowissenschaftler anwenden, um inverschiedenen Zellen Aktionspotenziale untersuchen zu können.Die Erzeugung von multiplen AktionspotenzialenWenn wir über eine Mikroelektrode einem Neuron ständig depolarisierenden Strom zuführen,erzeugen wir nicht ein Aktionspotenzial, sondern viele Aktionspotenziale in Folge. DieGeschwindigkeit, Aktionspotenziale zu erzeugen, hängt von der Stärke des kontinuierlichdepolarisierenden Stroms ab. Wenn wir durch die Mikroelektrode genügend Strom zuführen, derzwar bis zum Erreichen des Schwellenwertes, aber nicht weit darüber hinaus polarisiert, könnten wirz.B. feststellen, dass die Zelle Aktionspotenziale mit einer Geschwindigkeit erzeugt, die etwa beieinem Impuls pro Sekunde liegt, was 1 Hertz (Hz) entspricht. Wenn wir die Stromzufuhr ein wenigerhöhen, steigt die Erzeugungsrate der Aktionspotenziale an, z.B. auf 50 Impulse pro Sekunde (50Hz). Seite 2 von 9
  3. 3. Die Entladungsrate von Aktionspotenzialen ist ein Maß für die Stärke des depolarisierenden Stroms.Dies ist ein Mechanismus, durch den die Intensität eines Reizes im Nervensystem codiert wird.Die Entladungsrate nimmt zwar mit der Stärke des depolarisierenden Stroms zu, aber dieGeschwindigkeit, mit der ein Neuron Aktionspotenziale erzeugen kann, ist begrenzt. Die maximaleEntladungsrate liegt bei etwa 1.000 Hz. Sobald ein Aktionspotenzial ausgelöst wird, ist es innerhalbungefähr der nächsten Millisekunde nicht möglich, ein weiteres auszulösen. Diesen Zeitabschnittbezeichnet man als absolute Refraktärzeit.Darüber hinaus kann es sogar für mehrere weitere Millisekunden nach dem Ende der absolutenRefraktärzeit verhältnismäßig schwierig sein, ein weiteres Aktionspotenzial auszulösen. Währenddieser relativen Refraktärzeit ist die Stromstärke, die notwendig ist, um das Neuron bis zumErreichen des Aktionspotenzialschwellenwertes zu depolarisieren, höher als der normale Wert.Ströme und Leitfähigkeiten in der MembranBetrachten wird das idealisierte Neuron in Abbildung 4.4.Die Membran dieser Zelle besitzt drei Arten von Proteinmolekülen: Natrium-Kalium-Pumpen,Kaliumkanäle und Natriumkanäle. Die Pumpen sind ständig aktiv, um einenKonzentrationsgradienten aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Wie bei allen unseren bisherigenBeispielen nehmen wir an, dass innerhalb der Zelle K+ 20-mal höher konzentriert ist, als außen, undNa+ außerhalb 10-mal höher als innen. Nach der Nernst-Gleichung gilt bei 37°C für EK = -80mV undENa = 62mV. Wir wollen nun anhand dieser Zelle Faktoren untersuchen, die die Bewegung der Ionendurch die Membran bestimmen.Wir beginnen mit der Annahme, dass sowohl die Kaliumkanäle als auch die Natriumkanälegeschlossen sind, und dass das Membranpotenzial Vm = 0mV (Abbildung 4.4a) beträgt. Jetzt werdenwir nur die Kaliumkanäle öffnen (Abbildung 4.4b). Wie wir in Kapitel 3 erfahren haben, fließen dannK+-Ionen aus der Zelle, ihrem Konzentrationsgradienten folgend, bis die Innenseite negativ geladen Seite 3 von 9
  4. 4. ist und Vm = EK ist (Abbildung 4.4c). Wenn wir uns auf die Bewegung von K+ konzentrieren, durch diedas Membranpotenzial von 0mV auf -80mV ansteigt, sind folgende drei Aspekte von Bedeutung:1. Die Nettobewegung von K+-Ionen durch die Membran ist ein elektrischer Strom. Wir können diesen Strom durch das Symbol IK ausdrücken.2. Die Anzahl der offenen Kaliumkanäle ist proportional zur elektrischen Leitfähigkeit. Wir können diese Leitfähigkeit durch das Symbol gK ausdrücken.3. Der Kaliumstrom IK fließt nur, solange Vm ≠ EK ist. Die elektrochemische Triebkraft für K+ wird durch die Differenz zwischen dem tatsächlichen Membranpotenzial und dem Gleichgewichtspotenzial bestimmt, und man kann sie durch Vm – EK ausdrücken.Es gibt einen einfachen Zusammenhang zwischen der elektrochemischen Triebkraft, derIonenleitfähigkeit und der Stärke des elektrischen Stroms, der dann fließt. Für K+ lässt sich das soausdrücken: IK = gK (Vm – EK).Allgemeiner lautet die Gleichung so: IIon = gIon (Vm – Eion).Wenn uns das bekannt vorkommt, so liegt das daran, dass es sich einfach um eine Anwendung desOhm’schen Gesetzes handelt (I = gU), über das wir in Kapitel 3 bereits etwas erfahren haben.Ionenströme beim AktionspotenzialDie Membran unseres idealisierten Neurons ist nur für K+ durchlässig, und Vm = EK = -80mV. Wasgeschieht nun mit den Na+-Ionen, die außerhalb der Zelle eine höhere Konzentration aufweisen alsinnerhalb? Da das Membranpotenzial im Verhältnis zum Natriumgleichgewichtspotenzial starknegativ ist, besteht für Na+ eine sehr große elektrochemische Triebkraft (Vm – ENa = -80mV – 62mV = -142mV). Dennoch kann kein Na+-Strom auftreten, solange die Membran für Na+ impermeabel ist. Wirwollen nun betrachten, was bei Öffnung der Natriumkanäle mit dem Membranpotenzial geschieht.In dem Augenblick, in dem sich die Ionenpermeabilität der Membran verändert, ist gNa hoch und esgibt, entsprechend dem bisher Gesagten, eine strake elektrochemische Triebkraft für Na+. Auf dieseWeise wird ein starker Natriumstrom Ina durch die Membran erzeugt. Na+-Ionen passieren dieNatriumkanäle in der Richtung, die Vm in Richtung auf ENa verschiebt. In diesem Fall verläuft derNatriumstrom Ina durch die Membran nach innen. Sollte die Durchlässigkeit für Natrium wesentlichgrößer sein als die für Kalium, so depolarisiert dieser Einstrom von Na+ das Neuron, bis sich Vm demWert von ENa = 62mV annähert.Wie lässt sich die fallende Phase des Aktionspotenzials erklären? Angenommen, dass sichNatriumkanäle schnell schließen und Kaliumkanäle geöffnet bleiben, sodass die vorherrschendeMembrandurchlässigkeit für Ionen wieder von Na+ zu K+ wechselt, dann würde K+ aus der Zelleherausströmen, bis das Membranpotenzial wieder gleich EK ist. Wenn gK während der fallendenPhase zunehmen würde, wäre das Aktionspotenzial sogar noch kürzer.Das Aktionspotenzial in der RealitätIn der Praxis erweist sich die Messung an wirklichen Neuronen als ziemlich schwierig. Derentscheidende technische Durchbruch waren die Einführung der sogenannten Spannungsklemme,die der amerikanische Physiologe Kenneth C. Cole erfunden hat, und die aufschlussreichenExperimente, die die Physiologen Alan Hodgkin und Andrew Huxley um 1950 durchführten. DieSpannungsklemme ermöglichte es Hodgkin und Huxley, das Membranpotenzial eines Axons beijedem beliebigen Wert abgreifen zu können. So konnten sie die Ströme messen, die durch dieMembran flossen, und auf die Veränderungen der Membranleitfähigkeit rückschließen, die beiverschiedenen Membranpotenzialen auftraten.Heute verfügen wir aufgrund aktueller wissenschaftlicher Entwicklungen über eine genaueVorstellung von gesteuerten Membrankanälen. Zum einen sind Neurowissenschaftler durch neuemolekularbiologische Methoden in der Lage, die genaue Struktur dieser Proteine zu bestimmen. Zum Seite 4 von 9
  5. 5. anderen können sie durch neue neurophysiologische Verfahren Ionenströme messen, die einzelneKanäle durchqueren.Der spannungsabhängige NatriumkanalDie Bezeichnung „spannungsabhängiger Natriumkanal“ ist zutreffend. Das Protein bildet in derMembran eine Pore, die für Na+-Ionen hochselektiv ist, und die Pore öffnet und schließt sich beiVeränderungen des elektrischen Membranpotenzials.Der spannungsabhängige Natriumkanal ist aus einem einzigen langen Polypeptid aufgebaut. DasMolekül besitzt vier getrennte Domänen, die mit I bis IV nummeriert sind. Jede Domäne enthältsechs Alpha-Helices, die die Membran durchspannen und als S1 bis S6 bezeichnet werden (Abbildung4.6). Die vier Domänen lagern sich wahrscheinlich eng zusammen und bilden in ihrer Mitte eine Pore.Die Pore schließt sich beim negativen Ruhemembranpotenzial. Wird die Membran bis zum Erreichendes Schwellenwertes depolarisiert, ergibt sich jedoch eine Veränderung der Konfiguration, die denDurchtritt von Na+ durch die Pore ermöglicht.Wie der Kaliumkanal besitzt auch der NatriumkanalPorenschleifen, die zusammen einen Selektivitätsfilter bilden.Durch diesen Filter ist der Natriumkanal für Na+ 12-malpermeabler als für K+. Anscheinend werden von den Na+-Ionendie meisten assoziierten Wassermoleküle abgestreift, wenn sieden Kanal passieren. Das verbliebene Wasser dient als eine Artmolekularer Reisebegleiter für das Ion und ist für die Passagedes Ions durch den Selektivitätsfilter notwendig. Der Ionen-Wasser-Komplex kann dazu dienen, Na+ zu selektieren und K+auszuschließen.Der Natriumkanal wird über die Veränderung der Spannung quer zur Membran gesteuert. Inzwischenist bekannt, dass sich der Spannungssensor im Abschnitt S4 des Moleküls befindet. In diesemAbschnitt liegen positiv geladene Aminosäurereste in regelmäßigen Abständen auf den Windungender Helix. Der gesamte Abschnitt kann also durch Veränderungen des Membranpotenzials in Seite 5 von 9
  6. 6. Bewegung gesetzt werden. Eine Depolarisation verdreht S4, und diese Konformationsänderung imMolekül führt dazu, dass sich die Schleuse öffnet.Funktionelle Eigenschaften des NatriumkanalsMit dem sogenannten patch clamp untersucht man die Ströme, die durch einzelne Ionenkanälefließen. Bei der Patch-Clamp-Methode wird die Spitze einer Glaselektrode so auf die Zellmembranaufgesetzt, dass ein sehr kleiner Membranfleck (patch) elektrisch vom Außenmedium abgedichtetwird. Dieser Membranfleck kann dann vom Neuron entfernt werden, und es ist möglich, denIonenstrom durch den Fleck zu messen, da das Membranpotenzial bei jedem gewünschten Wertkonstant gehalten werden kann. Mit etwas Glück enthält der Membranfleck nur einen einzigenKanal, dessen Verhalten man dann genauer untersuchen kann. Mithilfe der Patch-Clamp-Methodegelang es Mitarbeitern des Max-Planck-Institut in Göttingen, die funktionellen Eigenschaften desspannungsabhängigen Natriumkanals zu bestimmen.Ändert man das Membranpotenzial eines Stückes Axonmembran von -80mV auf -65mV, so hat dasnur geringe Auswirkungen auf die spannungsabhängigen Natriumkanäle. Sie bleiben geschlossen, dadie Depolarisation der Membran nicht den Schwellenwert erreicht. Verändert man jedoch dasMembranpotenzial von -65mV auf -40mV, öffnen sich diese Kanäle. Wie in Abbildung 4.9 dargestelltist, zeigen spannungsabhängige Natriumkanäle ein charakteristisches Verhaltensmuster: 1. Sie öffnen sich mit einer geringen Verzögerung.2. Sie bleiben etwa 1 ms offen und schließen sich dann (werden inaktiviert).3. Sie können sich nicht wieder durch eine Depolarisation öffnen, bevor das Membranpotenzial wieder einen negativen Wert nahe dem Schwellenwert erreicht hat.Ein einzelner Kanal kann kein Aktionspotenzial auslösen. Die Membran eines Axons kann proQuadratmikrometer (μm2) viele Tausend Natriumkanäle enthalten, und die gemeinsame Aktivierungdieser Kanäle ist erforderlich, um ein messbares Aktionspotenzial zu erzeugen. Dennoch ist esinteressant festzustellen, wie viele der Eigenschaften des Aktionspotenzials durch die desspannungsabhängigen Natriumkanals erklärbar sind. So erklärt z.B. die Tatsache, dass sich einzelneKanäle nicht öffnen, bevor ein kritischer Wert der Membrandepolarisation erreicht ist, denSchwellenwert des Aktionspotenzials. Das schnelle Öffnen der Kanäle als Reaktion auf dieDepolarisation erklärt, warum der Aufstrich des Aktionspotenzials so schnell einsetzt. Und die nurkurze Zeit, die die Kanäle geöffnet bleiben, bevor sie inaktiviert werden erklärt, warum dasAktionspotenzial so kurz dauert. Darüber hinaus ist die Inaktivierung der Kanäle für die absoluteRefraktärzeit verantwortlich: Es kann kein weiteres Aktionspotenzial ausgelöst werden, bevor dieKanäle deinaktiviert worden sind.Im menschlichen Genom gibt es mehrere verschiedene Gene für Natriumkanäle. UnterschiedlicheExpressionsmuster dieser Gene in den verschiedenen Neuronen können dazu führen, dass dieAktionspotenziale zwar geringe, aber wichtige Unterschiede aufweisen. Vor kurzem wurde Seite 6 von 9
  7. 7. nachgewiesen, dass Mutationen einzelner Aminosäuren in den extrazellulären Bereichen einesNatriumkanals eine verbreitete Erbkrankheit bei Kleinkindern verursachen, die man als generalisierteEpilepsie mit Fieberkrämpfen bezeichnet. Epileptische Anfälle entstehen durch explosionsartige,hochgradig synchrone elektrische Aktivitäten im Gehirn. Bei dieser Erkrankung erfolgen die Anfälleals Reaktion auf Fieber. Sie treten normalerweise nur in der frühen Kindheit auf, im Alter zwischendrei Monaten und fünf Jahren. Es ist zwar nicht geklärt, wie genau die Anfälle durch eine erhöhteTemperatur im Gehirn ausgelöst werden, aber neben anderen Auswirkungen verlangsamen dieMutationen die Inaktivierung des Natriumkanals und verlängern so das Aktionspotenzial. Diegeneralisierte Epilepsie mit Fieberkrämpfen ist eine „Kanalerkrankung“, eine genetisch bedingteKrankheit des Menschen, die durch Veränderungen der Struktur und Funktion von Ionenkanälenauftritt.Chapter 4.2. ; ab S.82:„The Action Potential, In Reality“Blick zurück: die Membran wird durch Na+ -Ionen depolarisiert, dieses muss schnell gehen aufgrundder kurzen Dauer eines Aktionpotentials (AP) ; während „falling phase“ verlassen K+-Ionen dasdepolarisierte Neuron (schneller).Bahnbrechend zur Untersuchung der APs: „Voltage Clamp“ (von Hodgkin and Huxley) – ermöglicht„abklemmen“ des Membran Potentials an jeder gewünschten Stelle am Axon, so konnten sie dieStromflüsse messen…Sie entdeckten „Sodium Gates“ ( Natrium Kanäle) – aktiviert und offen bei Depolaristion – Inaktivund geschlossen wenn die Membran ein positives Membran Potential erreicht.„The Voltage-Gated Sodium Channel“Dieses Protein formt eine Pore in der Membran, die hochsensibel auf Na+-Ionen reagiert, und diesePore ist offen bzw. geschlossen je nach elektrischem Potential.Struktur:Eine einfache lange Polypeptidkette, in 4 Bereiche unterteil, jeder Bereich besteht aus 6transmembranen Alpha Helices.Pore ist geschlossen bei negativem Membran-Potential – bei Depolarisation – Na+ kann durch diePore eindringen. Zusätzlich dienen „Pore Loops“ als Filter. Dabei sind die zurückgebliebenenWassermoleküle wichtig um durch diesen Filter zu gelangen.Methode „Patch Clamp“ um die Ionenströme durch die Kanäle zu untersuchen. ( Pipette wirdangesetzt um Stromstöße zu induzieren)„V.G. Sodium Channels“ haben folgende charakteristische Verhaltensweisen:Sie öffnen mit Verzögerung.Sie bleiben etwa 1msec offen und werden danach wieder inaktiv.Sie können nicht offen bleiben bis das Membran-Potential wieder negativ ist.Es existieren viele verschiedene Sodium Channel Gene im menschlichen Genom. Bei Mutationenkommt es zu Störungen wie z.B. bei der „generalized epilepsy with febrile seizures“. Dieseverlangsamt die Deaktivierung der Sodium Channels.generell: „Channelopathy“: genetischer Defekt bei Schädigung in Struktur und Fuktion der IonenKanäle.„The Effects of Toxins on the Sodium Channel“Tetrodotoxin: (TTX) hemmt die Na+ Poren indem es sich an die Außenseite des Channels heftet.Somit hemmt es alle Natrium abhängigen APs.Anderes „channel-blocking“ Gifte: SaxitoxinWeitere chem. Substanzen (Verbindungen) die mit dem Nervensystem interagieren und dafürsorgen, dass sich die Channels unkontrolliert öffnen bzw dass die Channels länger offen bleiben alsnormal: Batrachotoxin; Veratridine bzw. Aconitine Seite 7 von 9
  8. 8. „Voltage-Gated Potassium Channels“Während falling phase, als Antwort auf Depolarisation; Öffnen aber nicht sofort nach Depolaristion,sondern mit 1msec Verspätung, deswegen „delayed rectifier“ genannt.Viele verschiedene Arten von Potassium Channels – die meisten haben aber dieselbe Aufgabe: K+Ionen einen Weg zu geben die Zelle durch die Membran zu verlassen.Das Channel-Protein besteht auch aus 4 Polypeptiden die wiederum eine Pore formen ähnlich wiebei den Sodium Channels. Nur hier wird eben den K+ der Durchfluss durch die Pore gewährt.„Putting the Pieces Together“Threshold: Membran-Potential, bei dem genug Sodium Channels offen sind damit mehr Natrium wieKalium durchdringen kann.Rising Phase: Inneres der Membran negativ – Na+ dringen in die Zelle und depolarisierenOvershoot: zu viel Na+ - Membran Potential größer als 0 mV.Falling Phase: Sodium Channels inaktiv – Potassium Channels aktiv – K+ aus der Zelle rausUndershoot: wenig Na+ Durchlässigkeit – HyperpolarisationAbsolute refractory period: Sodium Channels inaktiv, können nicht aktiviert werden bis MembranPotential wieder negativ.Realtive refractory period: Membran Potential bleibt hyperpolarisiert bis Potassium Channelgeschlossen.Wichtig: „Sodium – Potassium Pump“ arbeitet eigentlich eher leise im Hintergrund, aber es ist immerwichtig um die Ionen durch ihre Kanäle zu bewegen:„Action Potential Conduction“Um Informationen übers Nervensystem zu transportieren, muss das AP über die Axoneweitergeleitet werden.APs an einem Ende eines Axons gehen nur in eine Richtung( orthodromic), die Membran dahinter istrefräktär, aber es kann an beiden Enden eines Axons entstehen und in beide Richtungen gehen (antidromic).AP Geschwindigkeit: 10m/sec auf einer Länge eines 2cm langen Axons.„Factors Influencing Conduction Velocity“Geschwindigkeit des APs abhängig, wie weit die Depolarisation des AP streut, außerdem abhängigvon den physischen Eigenschaften des Axons.2 Möglichkeiten wie sich die positive Ladung ausbreitet:innerhalb des Axonsquer durch die axonale MembranWenn ein Axon viele geöffnete Poren besitzt, fließt das meiste durch die Membran, bei wenigenPoren fließt die Strömung durch das Axon.Evolutionäre Entwicklung: je überlebenswichtiger der neuronale Weg, desto größer die Axone.Abhängig von der Größe auch die Erregbarkeit: Schmalere Axone benötigen eine größereDepolarisation um ein AP zu erreichen und sind anfälliger für lokale Anästesien. (blocken APs inAxonen)„Myelin and Saltatory Conduction“Myelin Schicht besteht aus viele Lagen, bereitgestellt von Glia Zellen – Schwann Zellen (peripheresNS) und Oligodendroglia ( ZNS ) – nicht nur um den Fluß im Axon zu halten, wirkt außerdembeschleunigend auf die Geschwindigkeit.Schicht nicht durchgehend, unterbrochen durch Ranvier’sche Ringe (dort kreuzen die Ionen – APswerden generiert)Voltage-Gated Sodium Channels sind vor allem in der Membran dieser Ringe.Distanz zwischen Ranvier’schen Ringen etwa 0.2 – 2.0 mm.APs springen von Ring zu Ring, diesen nennt man „Saltatory Conduction“Anhang: Multiple Sklerose und Guillain-Barre Syndrom durch Schädigung der Myelin-Schicht. Seite 8 von 9
  9. 9. Spike Initiation Zone:Region der Membran wo normalerweise APs generiert werden.„Concluding Remarks“Spezielle Ionen Kanäle – erlauben positiv geladenen Na+ Ionen in die Nervenenden einzudringen –diese depolarisieren die Membran an der Spike-Initiation Zone – AP ist generiert – die positiveLadung, durch Rising Phase des AP eingetreten, wandert das Axon hinunter und depolarisiert dieMembran bei einer gewissen Schwelle – so wandert das AP wie eine Welle das Axon entlang – nun istes an dem Punkt wo die getragene Information ins NS integriert werden muss -> SynapticTransmission….Kapitel 5 Seite 9 von 9

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