Humoral-neuronale
Steuerung und Kontrolle von Organsystemen
Elektrophysiologie: Reiz, Erregung,
Aktionspotential, Refrakterität, Leitungsgeschwindigkeit
Diffusion: diffundere = ausbreiten, verstreuen (fundere = gießen)
Goldman-Gleichung: David Eliot Goldman
Gradient: gradior = schreiten
Myelin: μυελός = Mark
Nernst-Gleichung: Walther Nernst
Permease: permeare = durchwandern
Ranvier-Schnürringe: Louis-Antoine Ranvier
saltatorisch: saltare = springen, tanzen
Schwann-sche Zelle: Theodor Schwann
Wenn Ionen asymmetrisch durch Zellmembranen
diffundieren, laden sie diese auf. Ursache der Diffusion sind Unterschiede in der Ionenkonzentration (innen vs. außen). Transmembranale Transportmechanismen (z.B. die
allgegenwärtige Na-K-Pumpe) verursachen solche Konzentrationsdifferenzen. "Chemische Gradienten"
verursachen "elektrische Gradienten".
Das (Ruhe-) Membranpotential
beruht im Wesentlichen darauf, dass Kaliumionen - durch
"Kaliumkanäle" in der Membran - aus der
Zelle diffundieren. Spielen keine weiteren Ionen eine Rolle, stellt
sich dabei
ein (Kalium-) Gleichgewichtspotential
ein - der chemische Gradient (viel Kalium innen, wenig außen) wird
durch den elektrischen Gradienten (außen positiv, innen negativ) ausbalanciert.
Dieser Mechanismus gilt für alle Ionen
(Gleichgewichtspotentiale für Natrium, Chlorid, Kalzium etc). Entscheidend ist die jeweilige Konzentration (intrazellulär / extrazellulär) und wie verfügbar ("offen") die jeweiligen Ionenkanäle sind.
Wird z.B. die Membran für Natrium durchlässig (Öffnung der Natriumkanäle durch einen Reiz),
strömt Na+ in die Zelle (da außen höher konzentriert), die Zelle wird entladen (depolarisiert) - bevor die Natriumkanäle wieder schließen und die Membran
sich repolarisiert. Der zeitliche Verlauf der Potentialschwankung wird als Aktionspotential bezeichnet. Während dieser Zeit ist die Zelle nicht nochmals erregbar - sie ist refraktär.
Das Aktionspotential breitet sich durch laufende Erregung noch unerregter Membran fort. Die Geschwindingkeit dieses "Lauffeuers" hängt von der Struktur des elektrischen Feldes ab: Bei
Nervenfasern, deren Myelinscheide nur schmale Schnürringe mit nackter
Membranfläche freilassen, konzentriert sich hier das elektrische Feld
des transmembranalen Reizstroms. Der Reizstrom wird rasch überschwellig
und der
Vorgang wiederholt sich von Schnürring zu Schnürring -
das Aktionspotential schreitet sprunghaft fort (saltatorische Erregungsleitung).
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>Abbildung: Kaliumkanal
Aufgrund der 30-fach höheren intrazellulären Konzentration an Kaliumionen diffundiert K+ durch Kaliumpermeasen nach extrazellulär. Dies lädt die Zellmembran auf (innen negativ, außen positiv)
Zellen weisen eine elektrische Spannung über ihre Außenmembran auf (Membranpotential).
Das ermöglicht schnelle Informationsübertragung entlang der
Zellmembran. Ursache ist eine unterschiedliche Konzentration von Ionen
(außen vs. innen) und eine daraus resultierende Diffusionsbereitschaft der Ionen. Das Ruhepotential einer Zelle ist im Wesentlichen durch Kalium-Auswärtsdiffusion bedingt (>Abbildung).
Die elektrische Aufladung der Membran beeinflusst wiederum die Bewegung der Ionen.
<Abbildung: Gleichgewichtspotentiale und elektrochemische Gradienten für Kalzium, Natrium, Chlorid, Kalium
Nach Ackermann MJ, Clapham DE. Ion channels--basic science and clinical disease. N Engl J Med. 1997; 336:1575-86
Ionen diffundieren entsprechend ihrem Konzentrationsgefälle und dem bestehenden elektrischen Potential
An der Zellmembran wirken also gleichzeitig
chemische Gradienten (Konzentrationsunterschiede) und ein
elektrischer Gradient (Membranpotential).
Als Gleichgewichtspotential
eines bestimmten Ions wird dasjenige Membranpotential bezeichnet, bei dem für dieses Ion ein Diffusionsgleichgewicht 
herrscht (d.h. seine intra- und extrazelluläre Konzentration ändern sich nicht), weil sich der Effekt des
elektrischen (Membranspannung) und des chemischen Gradienten (unterschiedliche Konzentration) die Waage halten.
Bei physiologischen Konzentrationsverhältnissen kann man etwa mit folgenden Gleichgewichtspotentialen rechnen (<Abbildung):
Für K+ liegt der Wert des Gleichgewichtspotentials etwa bei -90 mV (unter physiologischen Bedingungen der Maximalbetrag für das Ruhepotential). Bei
niedrigeren Potentialwerten diffundiert Kalium aus der Zelle (und ladet
sie dabei auf), bei hohen Werten ist es umgekehrt (Umkehrpotential). Das Konzentrationsverhältnis außen zu innen beträgt etwa 1:20 (5 vs. 100 mM)
>Abbildung: Ionenverteilung und entsprechende Gleichgewichtspotentiale für diverse Ionen
Nach Verkhratsky A, Nedergaard M. Physiology of Astroglia. Physiol Rev 2018; 98: 239-389
Konkretes
Beispiel für die Abhängigkeit von Gleichgewichtspotentialen von intra-
und extrazellulären Ionenkonzentrationswerten. Nervenzelle links, Astrozyt
(Gliazelle) rechts. Der niedrige Betrag des
Chlorid-Gleichgewichtspotentials der Gliazellen erklärt sich durch die
hohe intrazelluläre Chloridkonzentration
Für Na+
+60 bis +70 mV - Natrium strömt (wenn es kann) sowohl elektrisch als
auch chemisch angetrieben in die Zelle. Das Konzentrationsverhältnis außen zu innen beträgt 10:1 (150 vs. 15 mM, je nach Zellart deutlich unterschiedlich)
Für Ca++ +100 bis +125 mV - der extrazelluläre [Ca++]-Wert (≈1 mM/l) liegt um Zehnerpotenzen (!) über dem intrazellulären, Ca++ diffundiert auch gegen ein Potentialgefälle von bis zu 120 mV in die Zelle. Das Konzentrationsverhältnis außen zu innen beträgt ungefähr 104:1 (2 vs. 0,0002 mM, stark abhängig vom Zustand der Zelle)
<Abbildung: Natriumkanal
Nach einer Vorlage bei opentextbc.ca
Spannungsgesteuerte Natriumkanäle können in drei Zuständen vorliegen: In Ruhe sind sie geschlossen, sie lassen Natrium nicht in die Zelle diffundieren (links). Bei Erregung der Zelle öffnen sie, Natrium dringt in die Zelle ein und erzeugt den "Aufstrich" des Aktionspotentials (Mitte).
Danach sind die Kanäle inaktiviert, d.h. trotz "offener" Formation
durch einen "Stöpsel" für weiteren Natriumeinstrom vorübergehend blockiert (rechts). Das ermöglicht die Wiederaufladung (Repolarisierung) der Zellmembran durch "ungestörten" Kaliumausstrom
Der
Wert eines Gleichgewichtspotentials hängt von der aktuellen
intra-/ extrazellulären Konzentration des betreffenden Ions ab.
Hormonelle Regelung stabilisiert zwar die Elektrolytwerte im Körper in
engen Bereichen (Homöostase), lokal können diese aber doch ziemlich
schwanken, z.B. die
Kaliumkonzentration Gehirnabschnitten, die gerade besonders aktiv sind
(solche Konzentrationsschwankungen werden dann durch Astroyten abgepuffert).
>Abbildung: Chloridkanal
Nach Whorton M. Structural biology: Calcium-activated proteins visualized. Nature 2014; 516: 176-8
Beispiel
Bestrophin 1: Bindung von Kalziumionen öffnet die Pore (Bestrophin ist ein Ca-ClC: Calcium-Dependent Chloride Channel). Die
Ladungsverteilung innerhalb des Kanals unterstützt dessen Selektivität
Der Betrag der auftretenden Spannung läßt sich mittels der Nernst-Gleichung errechnen: Das Potential ergibt sich aus der Konzentrationsdifferenz eines
Ions, für das die Membran selektiv permeabel ist und das durch die
Membran so lange diffundiert, bis die dadurch entstehende Spannung
(bei Kalium: ≈Ruhemembranpotential) die weitere Diffusion blockiert
(Gleichgewichtspotential).
Das Membranpotential (V) ist dann proportional dem Quotienten Konzentration außen (o) / Konzentration innen (also für Kalium: [K+]o/[K+]i), genauer:
wobei R = allgemeine Gaskonstante, T = Temperatur in Kelvin, z = Ladung
des Ions, F = Faradaykonstante, ln = natürlicher Logarithmus.
Goldman-Gleichung: Das
Gleichgewichts-Membranpotential (in Volt, wenn Werte für R und F in Joule
und Coulomb eingesetzt werden) ergibt sich aus Permeabilität (P) und
Konzentrationsdifferenz mehrerer Ionen (a = außen, i = innen) - für den Fall, dass Natrium, Kalium und Chlorid die "Show" bestimmen:
Zu Ionenkanälen s. auch dort
Das Ruhepotential ist
ein Kalium-Potential, d.h. es liegt dabei (im Wesentlichen) ein K+-Gleichgewichtspotential vor.
Kaliumionen sind in der Zelle ≈30-mal stärker konzentriert als extrazellulär, K+
diffundiert daher (falls es das Membranpotential zulässt) aus der Zelle und ladet die Membran
auf - die elektrische Spannung beträgt
bis zu 90 mV. Erreicht eine Zellmembran das Gleichgewichtspotential für Kalium,
dann strömt kein weiteres Kalium aus; bei (künstlicher) stärkerer
Aufladung der Zelle würde Kalium in die Zelle statt aus ihr hinaus
diffundieren (daher "Umkehrpotential"). Aus diesem Grunde kann sich die
Zelle üblicherweise nicht stärker als bis zum Betrag des
Kalium-Gleichgewichtspotentials aufladen.
<Abbildung: Aktionszyklus einer Na-K-Pumpe (Na+-K+-ATPase)
Nach einer Vorlage bei McGraw-Hill Publishing
Ursache für die unterschiedliche Konzentration von Natrium- und Kalium-Ionen (extra- vs. intrazellulär) ist in erster Linie die Na-K-ATPase. Deren Zustand oszilliert zwischen nach innen und nach außen offenen Formen (<Abbildung).
Die Phosphorylierung dieses Kanalproteins zu einer
Konformationsänderung führt zur "Schließung" gegen den
Intrazellulärraum und "Öffnung" zum Extrazellulärraum.
Das
führt zur Loslösung von drei im Kanal angelagerten Natrium-Ionen, die
so aus der Zelle nach außen gelangen. Gleichzeitig erhöht sich die
Affinität für Kalium-Ionen, die nun zwei Bindungsstellen belegen. Das
führt zur Dephosphorylierung des Kanals, dieser "klappt" zur nach innen
offenen Konformation um und entlässt die zwei Kaliumionen in die Zelle. Der Transport ist nicht
elektroneutral; netto wird ein Kation nach außen befördert, was das
Ruhepotential unterstützt.
Das Ergebnis eines solchen Zyklus ist die Bewegung von 3 Na+ nach außen und 2 K+
nach innen.
Dieser aktive Elektrolyttransport ist die Hauptursache für die
ungleiche Verteilung (außen ≈145 mM Natrium und 4-5 mM Kalium, innen
≈15 mM Natrium und ≈120 mM Kalium), die als "Motor" für zahlreiche
sekundäre Transportprozesse durch die Zellmembran dient.
>Abbildung: EPSP ind IPSP
Modifiziert nach einer Vorlage in: Lodish / Berk / Zipursky / Matsudaira / Baltimore / Darnell, Molecular Cell Biology, 4th ed. New York: W. H. Freeman 2000
Reizung einer exzitatorischen Synapse bewirkt die
Ausschüttung eines Transmitters, der das postsynaptische
Membranpotential vorübergehend reduziert (exzitatorisches synaptisches
Potential EPSP) und so die Erregbarkeit der Zelle steigert (oben). Der Zeitverlauf liegt im Millisekundenbereich
Die Aktivierung einer inhibitorischen Synapse bewirkt die Ausschüttung eines Transmitters, der das
postsynaptische Membranpotential vorübergehend erhöht
(inhibitorisches synaptisches Potential IPSP) und so die Erregbarkeit
der Zelle reduziert (unten). Der Zeitverlauf kann länger dauern als bei EPSPs
Ein Reiz
ist ein Einfluss, der Zustand und elektrisches Potential von Zellmembranen verändert. Der Reiz kann das Membranpotential
erhöhen (
Hyperpolarisation - der Reiz ist "gegenschwellig", die Erregbarkeit der Zelle nimmt ab. Beispiel: Inhibitorisches postsynaptisches Potential -
IPSP
- an Nervenzellen als Folge der Ausschüttung eines hyperpolarisierend
wirkenden Transmitterstoffs an einer hemmenden Synapse) oder
verringern
(
Depolarisation
der Membran) - in diesem Fall resultieren zwei mögliche Konsequenzen:
entweder, der Reiz führt zu einer
lokalen
Membranantwort (local response), er bleibt "unterschwellig" und bleibt für sich alleine folgenlos (
EPSP's an Nervenzellen, Miniatur-
Endplattenpotentiale an Muskelzellen - mehrere solcher Effekte können durch
Summation aber überschwellig werden, s. weiter unten)
oder es wird ein
Aktionspotential
ausgelöst - dann war der Reiz "überschwellig" (
Alles-oder-Nichts-Regel (All-or-none law):
Entweder der Reiz führt zu einem Aktionspotential und führt zu
entsprechenden Synapsenaktivierungen am Neuritenende, oder er ist dazu
zu schwach und bleibt "unterschwellig").
Dabei ist die Erregbarkeit der Zelle vom Elektrolytmuster
innerhalb und außerhalb der Zellmembran abhängig: Nimmt beispielsweise
die Kaliumkonzentration in der Zelle ab, dann sinkt damit die treibende
Kraft für das Ruhepotential (das ja ein Kaliumpotential ist), und die
Zelle depolarisiert. Je nach Zeitverlauf (Adaptation) und Lage zum
Schwellenpotential kann das die Bereitschaft der Zelle, auf einen Reiz
hin ein Aktionspotential zu zünden, unterschiedlich beeinflussen. Senkt
man die Kaliumkonzentration im Extrazellulärraum (plötzliche
Hypokaliämie), steigen Kaliumgradient und Membranpotential, die Zelle
hyperpolarisiert und wird schwerer erregbar.
<Abbildung: Mögliche Entstehung eines Aktionspotentials an einer Nervenzelle
Modifiziert nach einer Vorlage bei antranik.org
Gezeigt
sind drei exzitatorische (+) und eine inhibitorische (-) Afferenz(en) bzw.
Synapse(n), sie auf die Nervenzelle einwirken (-l). Die Summation der
depolarisierenden (exzitatorischen) bzw.hyperpolarisierenden (inhibitorischen) Einflüsse werden am Körper der
Zelle integriert, das somatische Membranpotential entsprechend
verändert. Nimmt dieses Potential ausreichend (über den Betrag des
Schwellenpotentials) ab, so kann am Axonhügel (der am erregbarsten ist)
ein Aktionspotential ausgelöst werden, das dann bis zu den
Neuronenverzweigungen weiterläuft und seinerseits nachfolgende
Strukturen (Nervenzellen, Muskelzellen, Drüsenzellen) depolarisierend
oder hyperpolarisierend beeinflusst
Rechenmaschine Nervensystem: Veränderungen
des Membranpotentials sind durch Reize bedingt und beeinflussen die Zelltätigkeit,
übertragen Information (lokale Potentiale,
Aktionspotentiale) und verändern den Durchtritt von Stoffen durch die
Membran (z.B. Absorptions-, Sekretionsprozesse). Sinkt das
Membranpotential an einer erregbaren Zelle über den Betrag des
betreffenden Schwellenpotentials (threshold potential), löst dies ein Aktionspotential aus (s. unten).
Ein unterschwelliger
Reiz führt hingegen nur zu einer örtlich
begrenzten Ladungsänderung an der Membran, er ist zu schwach, um ein
Aktionspotential auszulösen. Unterschwellige Membranantworten können
aber an der Zelle zusammenwirken und ihre Empfindlichkeit beeinflussen
(Sinneszellen, Nervenzellen). Unterschwellige Reize können
durch
rasche Wiederholung der (einzeln unterschwelligen) Reize wirksam werden (zeitliche Summation) - z.B. repetitive Entladung einer erregenden Synapse,
oder
es wirken gleichzeitig mehrere unterschwellige Reize auf die stimulierte Zelle(n) ein (örtliche Summation) - z.B. mehrere depolarisierende Synapsen sind an einer Nervenzelle aktiv.
>Abbildung: Verlauf eines Aktionspotentials (oben); synchroner Ionenstrom durch die Membran (unten)
Nach: New Human Physiology
Depolarisation kann mehrere Ursachen haben:
Depolarisation von Nachbarzellen, die über
gap junctions übertragen werden - auf diese Weise pflanzt sich die Erregung über das Muskelgewebe fort, dies gilt für
glatten Muskel vom Single-unit-Typ und
Herzmuskel
Depolarisation benachbarter Membranabschnitte (EPSP,
Generatorpotential, Aktionspotential).
Exzitatorische postsynaptische Potentiale (EPSPs)
treten an Nervenzellen auf, die von einem Transmitterstoff zur
Depolarisierung gebracht werden, und können unterschwellig (bahnend)
oder überschwellig (eine Erregung auslösend) wirken
Schrittmacherströme, z.B. über
HCN-Kanäle:
Diese haben eine Schlüsselrolle bei der Beeinflussung der Erregbarkeit
(Herzfrequenz, Neuronenaktivität).
Durch einen Reiz werden unterschiedliche Permeasen beeinflusst, zum Beispiel:
Erhöhte Leitfähigkeit von
Natriumpermeasen führt zu Einstrom von Na
+ und Depolarisation (eine geringfügig depolarisierte Zelle ist
leichter erregbar)
Erhöhte Leitfähigkeit von
Kaliumpermeasen verstärkt den Ausstrom von K
+ und hyperpolarisiert die Zelle, ladet sie also stärker auf (die Zelle ist typischerweise schwerer erregbar, da sie durch den K
+-Effekt stabil aufgeladen ist).
<Abbildung: Aktionspotentialformen
Nach Berne / Levy / Koeppen et al, Physiology, 5th ed. Mosby St. Louis 2004
Wird das Schwellenpotenzial (orange) überschritten, kommt es zur Auslösung einer rapiden Depolarisation
(Einstrom von Natrium- und/oder Kalziumionen), die meist in einer
Umpolung des Membranpotentials mündet (Nähe zum entsprechenden
Gleichgewichtspotential). Die Öffnung der entsprechenden Kanäle ist
selbstlimitiert, der Kationen-Influx stoppt, und ein verstärkter
Kalium-Ausstrom stellt das Ruhepotential wieder her (Repolarisation). Diese kann vorübergehend das Ruhepotential überschreiten (overshoot)
Erregbarkeit und Form der Aktionspotentiale hängen von der Ausstattung der Zellmembran mit Ionenkanälen ab. Aktionspotentiale an Motoneuronen und Skelettmuskelfasern dauern nur einige Millisekunden, an Herzmuskelzellen bis zu 0,3 Sekunden.
Öffnen
Ionenkanäle, dann strömen die entsprechenden Ionen entsprechend der
elektrischen Ladung und dem Konzentrationsgefälle durch die Membran
(herrscht ein Gleichgewichtspotential für ein bestimmtes Ion, dann strömt dieses überhaupt nicht durch die Membran).
Aktionspotentiale zeigen insbesondere Nerven-, Muskel- und Drüsenzellen.
Wie sich das Membranpotential verändert, hängt vom Netto-Stromfluss
durch die Membran ab: Überwiegt der Einstrom positiver Ladung
(Kationen), wird die
Zelle entladen (depolarisiert); überwiegt der Ausstrom, wird sie
aufgeladen. (Auch der Durchtritt von Anionen hat entsprechende Wirkung,
z.B. depolarisieren ausströmende Chloridionen die Zelle.) Bei stabilem
Ruhepotential - oder für einen Augenblick an der "Spitze" eines
Aktionspotentials (Umkehrpunkt des Membranpotentials) - ist der
Netto-Ionenstrom null.
>Abbildung: Spannungsgesteuerter Kalziumkanal
Nach: med.nus.edu.sg
Spannunsabhängige Kalziumkanäle (voltage-gated Ca++ channels)
spielen bei zahlreichen physiologischen Vorgängen eine essentielle
Rolle (s. Text). Sie bestehen aus mehreren Komponenten: Die α1-Untereinheit bildet den Ca++-selektiven
Ionenkanal mit seiner spannungsgesteuerten Maschinerie und
Bindungsstellen für Pharmaka. Beim Menschen gibt es 10 verschiedene α1-Untereinheiten. Ein gemeinsames Gen kodiert für die α2 -und δ-Untereinheiten. α2 interagiert mit α1, δ dient zur Verankerung in der Zellmembran. β stabilisiert wahrscheinlich die α1-Untereinheit; γ-Untereinheiten sind u.a. mit AMPA-Rezeptoren assoziiert
Es gibt unterschiedliche Permeasen für Kalziumionen (Ca++-Kanäle),
die je nach Zelltyp verschieden stark exprimiert werden. Ihre
Klassifikation richtet sich nach physiologischen Eigenschaften:
T-Kanäle (Transient activation) vermitteln vorübergehenden Einstrom bei starker Membranladung und werden zur Generierung von Aktionspotentialen im Herzen und Nervensystem benutzt;
L-Kanäle (Long-lasting activation) öffnen auch bei geringeren Potentialwerten (weniger als -40 mV) und ermöglichen starken Kalziumeinstrom; usw.
Veränderungen des Membranpotentials können ihrerseits den Zustand
bestimmter Ionenkanäle verändern. So bewirkt Depolarisation die
Aktivierung von (üblicherweise geschlossenen) spannungsabhängigen
Kalziumkanälen (VDCC: Voltage dependent calcium channels, >Abbildung). Kalziumionen strömen sofort in die Zelle (die Permeabilität der VDCC ist für Ca++ ≈103-mal höher als für Na+, die Ca++-Konzentration extrazellulär ≈103-mal höher als intrazellulär).
Aktivierung spannungsabhängiger Kalziumkanäle löst - je nach Zellart - verschiedene Effekte aus:
Kontraktion (
elektromechanische Kopplung,
excitation-contraction coupling) als
L-Typ-Kalziumkanäle an Muskelzellen.
Ryanodinrezeptoren lassen Ca
++
aus dem endoplasmatischen ("sarkoplasmatischen") Retikulum in das
Sarkoplasma entweichen, wenn sie durch "Dihydropyridinrezeptoren" des
transversalen Tubulus dazu veranlasst wurden
Auslösung von Sekretionsvorgängen
(excitation-secretion coupling)
Anregung von Nervenzellen - im
Nervensystem:
N-Typ (N für
neural), im
Kleinhirn:
P-Typ (P für
Purkinje); Neuritensprossung
Freisetzung von Signalstoffen (Neurotransmitter, Hormone - L-Typ)
Genaktivierung
(excitation-transcription coupling)
Regulierung anderer Ionenkanäle (Aktivierung
kalziumsensitiver Kaliumkanäle)
Aktivierung kalziumabhängiger Enzyme
Beeinflussung des Membranpotentials
Befruchtung (intrazellulärer [Ca
++]-Anstieg
löst sowohl die akrosomale Reaktion der Spermien als auch den Abschluss
der 2. Reifeteilung und die kortikale Reaktion der Eizelle aus)
Zur Aktivierung sind unterschiedlich hohe Änderungen des Membranpotentials notwendig:
HVA: High voltage activated, hierzu zählen L-, N- und P-Typ-Kanäle. Sie benötigen zu ihrer Aktivierung starke Depolarisation
Intermediate-voltage-activated, R-(Residual) Kanäle sind durch mäßige Depolarisation aktivierbar - z.B. in Körnerzellen des Kleinhirns
Low-voltage-activated, T-(Transient) Kanäle reagieren schon auf schwache Membranpotentialschwankungen - z.B. in Osteozyten, Schrittmacherzellen
Depolarisation kann zu Aktionspotentialen führen:
<Abbildung: Ionenkanäle und Aktionspotential
Nach einer Vorlage bei dundeemedstudentnotes.wordpress.com
Natrium- und Kaliumkanäle verfügen über äußere Aktivierungstore (activation gates), die bei geeigneter Reizung öffnen und den Ionenstrom zulassen. Natriumkanäle haben auch innere Inaktivierungstore (inactivation gates), deren mobiler "Stöpsel" den Ionenkanal verschließen kann wie ein an der Kette befestigter Ball ("ball and chain inactivation")
1: Ruhezustand - die Membran ist durch Kaliumaustritt aufgeladen, die Aktivierungstore der Ionenkanäle sind geschlossen
2: Ein Reiz erhöht die Öffnungswahrscheinlichkeit der Natriumtore, Einstrom von Na+ depolarisiert die Membran
3: Bei Überschreitung des Schwellenpotentials öffnen alle Natriumkanäle, die Membran bewegt sich in Richtung Na+-Gleichgewichtspotential (das allerdings nicht erreicht wird)
4: Die inneren Tore der Natriumkanäle schließen, während die Kaliumtore öffnen, K+ ausströmt und die Zelle repolarisiert wird
5:
Nartriumkanäle sind vollständig verschlossen, einige Kaliumkanäle noch
offen, was durch exklusiven Kaliumaustritt eine vorübergehende
Aufladung über den Betrag des Ruhepotentials hinaus verursacht ("undershoot")
Kommt es bei einer erregbaren Zelle zu Depolarisation über einen bestimmten Wert (Schwellenpotential, threshold potential),
dann nimmt der Einstrom positiver Ladung (Natrium, Kalzium) durch
spannungsgesteuerte Permeasen immer mehr zu (Selbstverstärkung),
die Zelle wird elektrisch "entladen" (Weitgehende Na+-Selektivität) - (2) in der <Abbildung.
Die Entladung einer Nervenzelle hält nur für kurze Zeit an, da die Natriumkanäle über jeweils zwei "Tore"
verfügen (gating), die den Ionendurchtritt mit unterschiedlicher Charakteristik
steuern.
Im Ruhezustand ist nur das (langsam reagierende) innere
"Inaktivierungstor" geöffnet;
bei rascher Depolarisierung geht auch das
äußere (rasch reagierende) "
Aktivierungstor" auf, Natrium kann in die
Zelle strömen (Depolarisierung);
dann schließt automatisch das innere
Tor, der Natriumeinstrom versiegt (die Zelle ist
refraktär).
Gleichzeitig stellt der (verstärkte, weil membranpotential-abhängige)
Kalium-Ausstrom das Ruhepotential wieder her (Abbildung oben: Ionen-Leitfähigkeit); vorübergehend kann die Membran sogar hyperpolarisiertt sein: (5) in der >Abbildung.
Schließlich kehrt der Ruhezustand zurück und das Ruhepotential stellt sich wieder ein (und die Natriumkanäle sind
wieder aktivierbar).
Diese Offen-zu-Beschreibung ist eine
Vereinfachung; genau genommen haben die "Tore" eine bestimmte Öffnungswahrscheinlichkeit, die von Membranpotential und Zeitverlauf abhängt.
An einer Nervenzelle wird das
Aktionspotential entweder vollständig oder gar nicht
ausgelöst (Alles-oder-Nichts-Prinzip; "binäre" Informationsverschlüsselung). Tritt ein
Aktionspotential auf, dann nennt man die betreffende Zelle erregt. Ein
Reiz, der ein Aktionspotential auslöst, wird als überschwellig
bezeichnet (s. oben).
Ein
Aktionspotential ist ein zeitlicher Ablauf, wirkt auf die noch
unerregte Membran als überschwelliger Reiz und breitet sich über die
gesamte Zelle aus - mit einer Geschwindigkeit von <1 bis >100 Meter
pro Sekunde, je nach Isolierung durch Scheidenzellen.
>Abbildung: Klassifizierung und Aufgaben afferenter peripherer Neurone
Nach: Bear / Connors / Paradiso, Neuroscience - Exploring the Brain, 3rd Ed 2007
Schema
nach Lloyd und Hunt - I (Ia von Muskelspindeln, Ib von Sehnenspindeln)
bis IV (Jucken, langsamer Schmerz, Temperatur) bzw. Erlanger und Gasser (Aα bis C) nach Durchmesser bzw Leitungsgeschwindigkeit
Dargestellt sind afferente Axone. Motorische Fasern (Aα / Aγ) sind nicht gezeigt
Nervenleitgeschwindigkeit (>Abbildung): Eine Nervenfaser leitet Aktionspotentiale umso
rascher, je besser isoliert die Internodien sind (je dicker die Faser
mit ihrer Schwann-Zellhülse
ist). Daraus ergeben sich je nach
Geschwindigkeit der Impulsleitung
"Klassen" von Nervenfasern, die generell (Erlanger / Gasser-Schema)
oder nur für
afferente Fasern gelten (Lloyd / Hunt-Schema). 120 m/s entspricht
immerhin mehr
als 430 km/h, das entspricht einem Drittel der Schallgeschwindigkeit in
der Luft oder etwa der doppelten Reisegeschwindigkeit einer Cessna 172
(≈120 Knoten).
Bei afferenten Axonen sind Schmerzfasern umso stärker repräsentiert, je
geringer die Leitungsgeschwindigkeit ist (C-Fasern leiten vorwiegend
noxische Information).
Energieeffizienz: Um ein Aktionspotential zu erzeugen und im Gehirn zu verteilen, bedarf es einer Energie von nur ≈10 fJ (10-14 Joule). Zum Vergleich: Pro Sekunde setzt das Gehirn mindestens ≈20 Joule Energie um, das reicht demnach für mehr als 1015 Aktionspotentiale (bei einer Zahl von ≈3x1010 Nervenzellen).
Refrakterität: Das Aktionspotential läuft immer in voller Stärke ab; in dieser Zeit kann kein zweites
Aktionspotential entstehen, die Membran ist refraktär, d.h. gegenüber weiteren Reizen
unempfindlich.
Während der
absoluten Refraktärzeit ist die Zelle unerregbar;
in der
relativen
Refraktärperiode ist die Reizschwelle zur Auslösung einer weiteren
Erregung erhöht.
Die Dauer der absoluten Refrakterität bestimmt damit
auch die maximale Aktionspotentialfrequenz der betreffenden Zelle.
Wie lange dauert ein Aktionspotential? Je nach
Art der Zelle unterschiedlich (Nervenfaser: ≈1/1000 Sekunde;
Herzmuskelzelle: bis zu ≈1/3 Sekunde). Das erklärt sich
durch die jeweilige Ausstattung mit Ionenkanälen (z.B. für Kalzium in Herzmuskelzellen) in der
Zellmembran (Expressionsmuster je nach Spezifität der Zelle).
Repolarisation: Am Ende des Aktionspotentials ladet ein verstärkter
Ausstrom von Kalium die Zelle wieder auf. Ist die
Membran mit zusätzlichen spannungsgesteuerten Kalium-Kanälen ausgestattet (wie an Soma und Axonhügel von
Nervenzellen),
erfolgt eine leichte Hyperpolarisierung
(Nachpotential) (<Abbildung).
Ende des 18. Jahrhunderts untersucht Luigi Galvani die Bioelektrizität unter Verwendung von Froschschenkeln. Die Nervenimpuls-Leitung wird um 1848 von Emil du Bois-Reymond entdeckt. Hermann Helmholtz bestimmt 1850 die Geschwindigkeit von Nervenimpulsen an Froschnerven. 1871 beschreibt Louis-Antoine Ranvier
die später nach ihm benannten Schnürringe an myelinisierten
Nervenfasern.
"Für ihre Entdeckungen über die hochdifferenzierten
Funktionen der einzelnen Nervenfaser" erhalten die US-Amerikaner Joseph
Erlanger und Herbert S. Gasser
1944 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Erlanger konnte 1900
erstmals motorische Vorderhornzellen für einzelne Muskeln im Rückenmark
lokalisieren und arbeitete an verschiedenen physiologischen und
messtechnischen Problemstellungen.1922 begann seine Zusammenarbeit
mit Gasser. Sie erforschten Nervenimpulse und leiteten
Aktionspotentiale mittels Kathodenstrahlröhren ab - ein methodischer
Durchbruch.
1952 beschreiben Alan Hodgkin, John Eccles und Andrew Huxley
den Mechanismus der Aktionspotentialentstehung am
Riesen-Tintenfischaxon, wofür ihnen 1963 der Nobelpreis für Physiologie
oder Medizin verliehen wird. 1998 bestimmen Rod MacKinnon
und Mitarbeiter die Struktur des spannungsgesteuerten Kaliumkanals, der
Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2003 würdigt diese Leistung.
Verschiedene Zellen (z.B. Drüsen-, glatte
Muskelzellen) exprimieren spezifische Permease-Muster
(Ionenkanäle, ..) und zeigen
dementsprechend komplexes Erregungsverhalten. (Statt des Begriffs
"Permease" wird heute meist "Transporter" oder "Carrier" verwendet.)
>Abbildung: Saltatorische Erregungsleitung
Modifiziert nach einer Vorlage in ib.cnea.gov.ar
Der
elektrische Widerstand ist am (nicht isolierten) Schnürring gering, ein
Reizstrom fließt hier mit hoher Dichte durch die Membran und wird
leicht überschwellig. Das Aktionspotential erzeugt am
Nachbar-Schnürring wiederum rasch einen überschwelligen Effekt usw -
die Strecke des Internodiums wird einfach übersprungen ("saltatorische"
Erregungsleitung, hohe Geschwindigkeit)
An Ranvier-schen Schnürringen
ist die Membranfläche für den Stromfluss klein, die Stromliniendichte
hoch und die einfachen Kaliumpermeasen sind für die Repolarisierung
ausreichend (kein positives Nachpotential). Die saltatorische Erregungsleitung
an gut isolierten Neuronen bedeutet hohe Effizienz der überschwelligen
Depolarisierung und rasche Fortleitung des Aktionspotentials.
Das
Prinzip der saltatorischen Erregungsleitung: Depolarisierung der gesamten Membran (inklusive
Membranwiderstand und -kapazität) ist nicht notwendig; nur eine geringe
"nackte" Membranfläche jeweils zwischen zwei Schwann-Zellen muss durch
das Aktionspotential des "vorangehenden" Internodiums überschwellig
gereizt werden (man sagt, das Aktionspotential "springt" von
Internodium zu Internodium).
Weiters verfügt die Membran des Schnürrings über eine hohe Dichte von Natriumkanälen - das unterstützt die Depolarisation (Na+-Einstrom!).
Kaliumkanäle finden sich hingegen fast nur in der Membran entlang des
Internodiums (ihre Funktion ist nicht ganz klar; naheliegend ist, dass
sie die rasche Repolarisierung zwischen Aktionspotentialen ermöglichen).
<Abbildung: Myelinisierung peripherer Nerven über Zelladhäsionsmoleküle (Junctional Adhesion Molecules, JAM)
Nach Ebnet K, Junctional Adhesion Molecules (JAMs):
Cell Adhesion Receptors With Pleiotropic Functions in Cell Physiology
and Development. Physiol Rev 2017; 97: 1529-54
Unten links: Im Internodium (internode, Ranvier-Segment) wird kein Aktionspotential ausgelöst; in seinen Myelin-Inzisuren (Schmidt-Lantermann-Inzisuren) verbinden Tunnelproteine (Connexin 32, Cx32) benachbarte Zellzonen und erleichtern Diffusionsprozesse, Kontaktproteine sind Zelladhäsionsprotein C (JAM-C), Claudin-19 (Cl19) und Connexin-32 (Cx32)
Unten Mitte: Das äußere Mesaxon ist der interzelluläre Spalt im Bereich der an die Basalmembran grenzenden äußersten Myelinschichten, das innere Mesaxon im Bereich der innersten Myelinzone
Unten rechts:
Im Bereich der paranodalen Schleifen unterscheidet sich der Besatz an
Zelladhäsionsmolekülen zwischen Schichten der Schwann-Zelle
("intergliäre Brücken") einerseits von dem des Kontakts zwischen Myelin
und Axon ("axogliäre Brücken") andererseits
Caspr-1, contactin-associated protein-1 NF, neurofascin
Die
Funktion von Strukturen, die an der saltatorischen Erregungsleitung
beteiligt sind, hängt wesentlich von Anordnung und Wirkung von Zelladhäsionsmolekülen
ab, die sowohl im Bereich der Schwann-Zellen (Myelinblätter ) als auch
zwischen diesen und dem Neuron (axo-gliär) interzelluläre Kontakte
bilden (<Abbildung). Die wie ein Germteig "ausgewalzten" Partien der
Glia (Schwann-Zellen) sind über weite Strecken praktisch frei von
Zytoplasma, nur im Bereich der Mesaxone, perinodalen Schleifen (paranodal loops) und Myelin- (Schmidt-Lanterman-) Inzisuren
bestehen schlauchförmige Zytoplasmabrücken. Hier finden sich auch
zahlreiche Adhäsionsproteine, welche spezifische Abdichtungs- bzw.
Brückenfunktionen übernehmen.
Veränderungen in der Verteilung und Funktion solcher Brückenmoleküle
haben medizinische Auswirkungen, z.B. haben die Paranodien von
Patienten mit chronisch entzündlicher demyelinisierender
Polyneuropathie eine verminderte Zahl von JAM-C-Molekülen.
Erregbarkeitsprüfung:
Mittels Reizelektroden wurde die Erregbarkeit von Nerven oder Muskeln
ermittelt werden: Der minimale Reizstrom, der (bei langem Andauern)
gerade noch Aktionspotentiale auslöst, heißt Rheobase.
Verdoppelt man diesen Reizstrom, ergibt sich eine Zeit zwischen
Reizbeginn und Auftreten des Aktionspotentials (Nutzzeit), die man als Chronaxie bezeichnet. Die Definition lautet daher: Die Chronaxie ist die Nutzzeit, die sich
ergibt, wenn ein Reizstrom von doppelter Rheobasenstärke verabfolgt
wird.
Bei dicken Nervenfasern liegt der Normalwert in der Gegend von
≈0,1 Sekunden. Die Chronaxie ist (im Gegensatz zur Rheobase) eine von den
Versuchsbedingungen (konkrete Widerstandswerte) unabhängige Kenngröße
und entspricht ungefähr der Zeitkonstante, welche die betreffenden
Zellmembranen aufweisen. Demyelinisierungserkrankungen führen zu einer Erhöhung der Chronaxie der betroffenen Nervenfasern.
So gut wie jeder Ionenkanal kann selektiv gehemmt werden ("Blocker"): z.B.
Blocker spannungsgesteuerter Na
+-Kanäle ... Lokalanästhetika
Blocker epithelialer Na
+-Kanäle (ENaC) ... kaliumsparende Diuretika (z.B. Amilorid)
K
+-Kanalblocker ... Klasse-III-Antiarrhythmika
Blocker
spannungsgesteuerter Ca2+-Kanäle ... Vasodilatatoren (z.B. Nifedipin), Klasse-IV-Antiarrhythmika
Kommt es zu Mutation von Natriumkanälen in der
Niere, kann das Elektrolytstörungen zur Folge haben
Veränderte Kalium- oder Kalziumkanäle im
Gehirn bewirken Ataxie
In der
Skelettmuskulatur führen veränderte Natrium- oder Chloridkanäle zu Myotonie
Mutierte Chloridkanäle in der
Lunge bedingen zystische Fibrose
Wenn Kaliumkanäle in der
stria vascularis des Innenohres verändert sind, kann es zu Innenohrschwerhörigkeit kommen
Veränderte Natrium- oder Kaliumkanäle im
Herzmuskel führen zu Arrhythmien
Defekte in der Myelinscheide treten bei verschiedenen Erkrankungen
auf: Guillain-Barré-Syndrom, Diabetes mellitus, Alkoholmissbrauch u.a.
Die Nervenleitgeschwindigkeit ist in solchen Fällen reduziert - abgesehen von den z.T. dramatischen klinischen Symptomen.
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Gleichgewichtspotential 
