Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
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
refraktär: re-fractus = abgebrochen
saltatorisch: saltare = springen, tanzen
Schwann-sche Zelle: Theodor Schwann
Ionen liegen in den Körperflüssigkeiten in unterschiedlicher Konzentration vor. Ursache für solche Konzentrationsdifferenzen ist die Aktivität von Transportmechanismen in den Zellmembranen. So verursacht die allgegenwärtige Na+/K+-ATPase
(eine "Pumpe", die ATP verbraucht) eine ungleiche Verteilung von
Natrium- und Kaliumionen: In der Zelle überwiegt Kalium ([K+] innen ≈140 mM, außen ≈4 mM), außerhalb Natrium ([Na+] innen ≈10 mM, außen ≈140 mM).
Chemische Gradienten
verursachen durch Ionendiffusion elektrische Gradienten. So beruht das Ruhe-Membranpotential im Wesentlichen auf Kaliumgradienten: Kaliumionen diffundieren durch
"Kaliumkanäle" in der Zellmembran aus der
Zelle. Dabei
stellt sich ein Kalium-Gleichgewichtspotential
ein: Kalium tritt so lange aus der Zelle aus, bis der elektrische Gradient (außen positiv, innen negativ) den chemische Gradienten ausbalanciert.
Dieser
Mechanismus gilt für alle Ionen - für jedes gibt es ein seiner
Verteilung entsprechendes Gleichgewichtspotential. Entscheidend ist das
Konzentrationsmuster, 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, diese wird dadurch entladen (depolarisiert) - bevor die Natriumkanäle wieder schließen und die Membran
sich durch veränderte Ionenströme repolarisiert. Der zeitliche Verlauf der Potentialschwankung wird als Aktionspotential bezeichnet. Während dieser Zeit ist die Zelle nicht nochmals erregbar - sie ist refraktär.
Ein 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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Übersicht 
Gleichgewichtspotential Ruhepotential Na-K-ATPase Reiz und Reizerfolg Refrakterität Spannungsgesteuerte Kalziumkanäle Aktionspotential Elektrotonische Ausbreitung Leitungsgeschwindigkeit Saltatorische Erregungsleitung Chronaxie und Rheobase
Nervenzellen (Neurone)
sind die zellulären Bausteine für die Rechenvorgänge, welche die
Funktion des Gehirns als "Computer" ausmachen. Sie bringen Information
in Form von Aktionspotentialen von einem Ort zum anderen, und wo diese
ankommen (am Ende des Axons), befinden sich Synapsen
- Umschaltestellen von einer Zelle auf die nächste. Je nach ihrer
Funktion unterscheidet man sensible, motorische, und Interneuronen; sie
nutzen bestimmte Transmitterstoffe (man bezeichnet sie dementsprechend
als glutamaterg, cholinerg etc.) und reagieren auf Signalstoffe je nach
ihrer Ausstattung mit Rezeptormolekülen.
In diesem Abschnitt wird dargestellt, wie sich Zellen elektrisch
aufladen (Membranpotential) und wie sie diese Aufladung nutzen, um auf
(ausreichend starke, d.h. "überschwellige") Reizung in sehr kurzer Zeit
(Millisekunden) mit Aktionspotentialen zu reagieren, die dann an als
Informationssignal an synaptische "Verrechnungsstellen" gesendet
werden. Da die Frage, ob ein Aktionspotential auftritt oder nicht, eine
Ja-nein-Entscheidung ist ("Alles-oder-Nichts-Regel"), kann die Art der Informationsübertragung über Nervernfasern als binär ("digital") angesehen werden. An Sinnesorganen oder Synapsen hingegen - also an Orten der Impulsentstehung und Impulsverwertung - laufen die Vorgänge analog, d.h. proportional zur jeweiligen Größe des auslösenden Vorgangs, ab.
Wie erklären sich bioelektrische Phänomene?
>Abbildung: Kaliumkanal
Aufgrund der 30-fach höheren intrazellulären Konzentration an Kaliumionen diffundiert K+ durch Kaliumpermeasen nach extrazellulär (hier: nach rechts). 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: Diese diffundieren
einerseits entsprechend ihrer Konzentrationsdifferenz, andererseits
wirkt das Membranpotential auf ihre Membranpassage ein. Beispielsweise
würden Natriumionen sowohl aus Gründen ihrer Konzentration (außen ≈140
mM, innen wesentlich weniger) als auch der elektrischen Situation
(außen positiv, innen negativ geladen) in die Zelle eindringen - das
können sie allerdings nur, wenn die Zellmembran für Natrium durchlässig
wird, was im Ruhezustand kaum der Fall ist ("Leckstrom"), bei Reizung
der Zelle aber schon (Öffnung von Natriumkanälen, s. weiter unten).
Die tatsächliche Wanderung von Ionen durch eine Biomembran hängt also
außer von den Konzentrationsverhältnissen und der elektrischen Ladung
auch von der spezifischen Permeabilität der Membran für den
betreffendem Elektrolyten ab.
<Abbildung: Gleichgewichtspotentiale (in mV) und chemische Gradienten (Konzentrationsunterschiede) 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 gleichzeitig
chemische Gradienten (Konzentrationsunterschiede) für alle an der Membran vorhandenen Ionen, und ein
elektrischer Gradient (aktuelles 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.
Spezialfall: Ist die
Konzentration eines Ions an beiden Seiten einer Membran gleich groß,
dann ist das Gleichgewichtspotential für dieses Ion an dieser Membran
Null (0 mV): Es gibt kein Konzentrationsgefälle, also (ohne
Membranladung) auch keine Diffusion. Ist die Membran aufgeladen,
wandert das Ion entsprechend dem elektrischen Gradienten.
Unterschiedliche Konzentration: Je größer der Konzentrationsunterschied eines Ions, umso stärker muss die Membran
aufgeladen sein, um eine Netto-Bewegung des Ions durch die
Membran zu verhindern. Mit wachsender Konzentrationsdifferenz eines Ions nimmt der Betrag seines Gleichgewichtspotentials zu. Dazu einige physiologisch bedeutsame Beispiele (<Abbildung):
Kalium: 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
Natrium: Für Na+
liegt der Wert des Gleichgewichtspotentials bei +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)
Kalzium: Für Ca++ liegt der Wert des Gleichgewichtspotentials bei +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)
Gleichgewichtspotentiale
(bei physiologischen Konzentrationswerten)
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Natrium
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+60 bis +70 mV
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Chlorid
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-60 bis -90 mV
|
Kalium
|
-90 mV
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Kalzium
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+100 bis +125 mV
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<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): "Geschlossen / aktivierbar"
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 Zustand "nicht aktivierbar" dauert etwa 2 Millisekunden, dann stellt sich wieder der Zustand "geschlossen / aktivierbar" ein
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 (in Volt, wenn Werte für R und F in Joule
und Coulomb eingesetzt werden) ist dann proportional dem Quotienten Konzentration außen (o) / Konzentration innen (i) - also für Kalium [K+]o/[K+]i:
wobei R = allgemeine Gaskonstante, T = Temperatur in Kelvin, z = Ladung
des Ions, F = Faradaykonstante, ln = natürlicher Logarithmus.
Die Nernst'sche Gleichung kann - für einzelne Ionen - auch so formuliert werden:
Für einwertige Ionen: Gleichgewichtspotential = 61 mV . log (Außenkonzentration / Innenkonzentration)
Für zweiwertige Ionen: Gleichgewichtspotential = 30,5 mV . log (Außenkonzentration / Innenkonzentration)
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So ergibt sich z.B. für Kalium (außen 4 mM, innen 150 mM) ein
Gleichgewichtspotential von -92 mV, für Natrium von +65 mV, für Kalzium
von +150 mV.
Ähnliche
Gleichungen können für alle die Membran durchdringenden Ionen
aufgestellt werden, sofern man ihre Konzentration (Innen / außen)
kennt. Die wichtigsten Ionen sind Natrium, Kalium und Chlorid.
Goldman-Gleichung: Das
Gleichgewichts-Membranpotential UM kann kombiniert aus Permeabilität (P) und
Konzentrationsdifferenz dieser drei Ionen (a = außen, i = innen) berechnet werden:
Diese Gleichungen gelten für Zustände, in denen sich das
Membranpotential stabilisiert hat (Gleichgewicht). Da sie neben den
Konzentrationswerten auch die jeweiligen Leitfähigkeiten (P)
berücksichtigen, wird der Effekt der einzelnen Ionen auf das
Membranpotential "gewichtet": Je größer die Leitfähigkeit, desto stärker der Einfluss auf das Membranpotential.
Zu Ionenkanälen s. auch dort
Das Ruhepotential (meist -70 bis -80 mV) ist
im Wesentlichen durch Kaliumausstrom bedingt, d.h. es liegt nahe am K+-Gleichgewichtspotential (≈-90 mV). Abweichungen des tatsächlichen Ruhepotentials vom Betrag des
Kalium-Gleichgewichtspotentials beruhen auf der Diffusion anderer Ionen durch die Membran, die aber geringgradig ist.
Kaliumionen sind in der Zelle ≈30-mal stärker konzentriert als extrazellulär, K+
diffundiert daher (soferne es das Membranpotential zulässt, d.h.
geringer ist als das Gleichgewichtspotential) aus der Zelle und ladet
die Membran
auf. Erreicht eine Zellmembran das Gleichgewichtspotential für Kalium,
dann strömt kein weiteres Kalium aus. Solange also das Gleichgewichtspotential nicht erreicht ist, diffundieren Kaliumionen bei Öffnung von Kaliumkanälen
vermehrt durch die Membran - üblicherweise nach außen, damit steigt der Betrag des Membranpotentials (Hyperpolarisation).
Bei einer Aufladung der Zellmembran über den Betrag des Kalium-Gleichgewichtspotentials hinaus würde Kalium in die Zelle statt aus ihr hinaus
diffundieren (daher aich der Begriff "Umkehrpotential"). Zellen können sich in physiologischer Umgebung 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
Der
Kanal oszilliert zwischen zwei Zuständen, wobei das System beim Wechsel
von "innen-offen" nach "außen-offen" energetisch durch ATP-Spaltung
aufgeladen wird.
3 Na-Ionen binden bei der nach innen offenen Konformation und werden
nach dem Wechsel zur nach außen offenen Form abgegeben. Umgekehrt
binden dann 2 K-Ionen, der Kanal wechselt zur nach innen offenen Form
zurück und geben das Kalium an die Zelle ab.
Das Ergebnis ist der Transport von Natrium nach außen und Kalium in die Zelle - jeweils gegen
das Konzentrationsgefälle. Dass dabei mehr Kationen nach außen als nach
innen befördert werdem, trägt auch zur Aufladung der Membran bei -
Hauptgrund für das Ruhepotential ist aber die Auswärtsdiffusion von K+ durch Kaliumkanäle
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. Es entstehen - de- oder hyperpolarisierende - lokale Antworten (in den Boxen angedeutet).
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
Erreicht ein Aktionspotential den präsynaptischen Teil einer Synapse, aktiviert es hier keine Natrium- oder Kalium-, sondern spannungsgesteuerte Kalziumkanäle, Ca++-Ionen
treten in die Zelle ein und aktivieren Enzyme, welche
transmittergefüllte Vesikel mit der präsynaptischen Membran
verschmelzen lassen (SNAREs). Das dauert
einige Zeit, dieser Vorgang ist der zeitlimitierende Schritt der
Synapsenaktivierung. Je höher die Aktionspotentialfrequenz an der
Synapse, desto intensiver ist der synaptische Effekt.
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
Die
Membran ist im späten "Aufstrich" weitgehend selektiv für Natriumionen
durchgängig; dazu kommen "frühe" und "späte" Natriumkanäle zu Beginn
und gegen Ende des Aktionspotentials. Zu letzterem Zeitpunkt wird die
Membran weitgehend kaliumpermeabel, dies bewirkt eine eventuelle
transiente Hyperpolarisierung, wie in der Abbildung gezeigt.
Weder das Natrium-Gleichgewichtspotential (automatische Schließung der
Natriumkanäle) noch das Kalium-Gleichgewichtspotential ("Leckströme"
durch Nicht-Kalium-Kanäle) werden erreicht
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.
Spannungsgesteuerte Kalziumkanäle
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.
>Abbildung: Spannungsgesteuerter Kalziumkanal
Nach einer Vorlage bei 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 α
1-Untereinheit bildet den Ca
++-selektiven
Ionenkanal mit seiner spannungsgesteuerten Maschinerie und
Bindungsstellen für Pharmaka. Beim Menschen gibt es 10 verschiedene α
1-Untereinheiten.
Ein gemeinsames Gen kodiert für die α
2 -und δ-Untereinheiten. α
2 interagiert mit α
1 , δ dient zur Verankerung in der Zellmembran. β stabilisiert wahrscheinlich dieα
1-Untereinheit; γ-Untereinheiten sind u.a. mit AMPA-Rezeptoren assoziiert
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
Aktionspotential
<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")
Depolarisation kann zu Aktionspotentialen führen: Kommt es bei einer erregbaren Zelle zu Depolarisation über einen bestimmten Wert (Schwellenpotential, threshold potential),
dann nimmt der Einstrom positiver Ladung (meist Natrium) durch
spannungsgesteuerte Permeasen immer mehr zu (Selbstverstärkung),
die Zelle wird elektrisch "entladen" - (2) in der <Abbildung.
Während der Zeit relativer Refrakterität ist das
Schwellenpotential höher (weniger negativ) als im ungereizten Zustand,
sodass nur verstärkte Reize zur Auslösung eines Aktionspotentials
führen. Dazu kommt, dass während dieser Zeit das Membranpotential oft
stärker von der Nulllinie entfernt ist als im Ruhezustand
(hyperpolarisierendes Nachpotential).
Beides erhöht die Entfernung zwischen Membranpotential und
Schwellenpotential; die Zelle ist während dieser Phase insgesamt
schwerer erregbar (relativ refraktär).
Das Schwellenpotential liegt bei -50 bis -60 mV.
In der relativen Refraktärzeit ist das Schwellenpotential weniger negativ.
Bei allen Nervenfasern beginnt das Aktionspotential mit Natriumeinstrom durch spannungsabhängige Na+-Kanäle.
|
Die Veränderung des Membranpotentials führt im Allgemeinen zu einer
kurzzeitigen Umladung der Membran (innen positiv, außen negativ,
Zustand 3). Obwohl dieser Vorgang durch vorübergehende Dominanz des
Natriumstroms bedingt ist, wird das Natrium-Gleichgewichtspotential
nicht erreicht - vorher greift die Selbstlimitierung des
Natrium-Influx, die Natriumkanäle schließen automatisch, die Zelle
repolarisiert (Zustand 4).
In dieser Phase nimmt die Kalium -Leitfähigkeit zu, was nicht nur zur
Wiederherstellung des Ruhepotentials führt, sondern oft auch zu einer
vorübergehenden Hyperpolarisierung der Zelle (Zustand 5).
Wie das Aktionspotential im Einzelfall genau aussieht (Steilheit und Höhe des "Aufstrichs", Dauer von
Aktionspotential und Refrakterität - eventuelle Plateaubildung -,
Hyperpolarisierung bei Aktionspotentialende), hängt vom Besatz der
Zellmembran mit unterschiedlichen Ionenkanälen und deren Interaktion
ab. Die Expression der Permeasen (Art, Anzahl) ist spezifisch für die
jeweilige Zellart (Nervenzelle, Muskelzelle, Drüsenzelle).
>Abbildung: Details zum Mechanismus der "Tore" in einem Natriumkanal
Nach einer Vorlage bei wiki.bio.purdue.edu
Das Aktivierungstor
öffnet, wenn das Schwellenpotential überschritten wird - der explosive
Natriumeinstrom beginnt, angetrieben sowohl durch einen elektrischen
als auch chemischen Gradienten (2), die Innenseite der Membran wird positiv geladen (3).
Daraufhin schließt das Inaktivierungstor, der Natriumeinstrom stoppt (4).
Das erlaubt die Repolarisierung durch vermehrten Kaliumausstrom und
garantiert, dass der Vorgang in die korrekte Richtung abläuft.
Schließlich löst sich das Inaktivierungstor vom Kanal und das
Aktivierungstor schließt wieder (5)
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.
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).
Elektrotonische Erregungsausbreitung
Ausbreitung des elektrischen Potentials über die Nervenfaser:
Da eine frisch erregte Membranstelle anders geladen ist als die noch
unerregte Nachbarmembran, fließt zwischen diesen ein Strom, der die
benachbarten Stellen depolarisiert (wenn dies über das
Schwellenpotential führt, entsteht hier ebenfalls eine Erregung).
Diesen Vorgang nennt man eine passive oder elektrotonische Potentialausbreitung.
Auf ihr beruht die Erregungsausbreitung über Nervenfasern (und auch
andere erregbare Strukturen, z.B. Muskelfasern).
<Abbildung: Auslösung eines Aktionspotentials
Oben: Ein Reiz öffnet Natriumkanäle, dies führt zum Einstrom von Na-I-Ionen in die Zelle, diese depolarisieren die Membran
Unten: Der Potentialunterschied zwischen der erregten Membran und ihrer
Umgebung führt zu elektrischem Strom, der innerhalb des Axons
(Längsrichtung, Innenwiderstand) sowie durch die Zellmembran fließt
(Membranwiderstand)
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Potentials über die Zellmembran hängt von folgenden Faktoren ab:
Innerer (Längs-)Widerstand: Je geringer dieser ist, desto leichter fließt ein Erregungsstrom.
Je dicker der Axonzylinder, desto leichter der Stromfluß in Längsrichtung.
Membranwiderstand:
Ein Strom, der durch die Membran fließt, geht der Längsausbreitung der
Erregung verloren. Je größer der Membranwiderstand, desto weniger
Verlust, und umso besser setzt sich die Erregungswelle fort.
Je besser isoliert das Axon, desto effizienter die Potentialausbreitung.
Membrankapazität:
Diese nimmt mit der "nackten" Membranfläche zu, da proportional dazu
Ladung verloren geht und die Leitungsgeschwindigkeit etwas abnimmt.
Eine Vergrößerung des Axondurchmessers steigert zwar den kapazitiven
Verlust, dies wird aber durch den geringeren inneren Längswiderstand
mehr als kompensiert.
Das bedeutet insgesamt: Je besser isoliert und je dicker eine
Nervenfaser ist, desto rascher und effizienter (weiter) breitet sich
über sie ein (erregendes) Potential aus. (Für die saltatorische
Erregungsleitung gilt dabei, dass die jeweils nächste Stelle "nackter"
Membran im folgenden Schnürring auf ihre Depolarisierung wartet, s. dort.)
Der Betrag der Depolarisierung nimmt mit der Entfernung von der erregten Stelle ab. Für die Reichweite der Potentialausbreitung gilt ein exponentieller Zusammenhang zwischen der Spannungsänderung an zwei definierten Membranstellen, ihrer Entfernung und einer Längskonstante.
Letztere ist definiert als die Entfernung, in der noch ein Betrag in
der Höhe von 1/e (37%) der ursprünglichen Potentialdifferenz besteht.
Diese Distanz ist der Reichweite eines (unverstärkten) elektrischen Signals proportional.
Die Längskonstante steigt mit dem Faserdurchmesser und dem Membranwiderstand;
die Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektrischen Potentials (der Erregung) ist proportional der Längskonstante.
Die Längskonstante beträgt zwischen 0,1 mm (schlecht isolierte, dünne Axone) und 5 mm (gut isolierte, dicke Axone).
Bei "marklosen" Nervenfasern mit ihrem hohen inneren Widerstand (dünner
Axoplasmazylinder) und ihrer geringen Längskonstante erfolgt die
Erregungsfortleitung kontinuierlich
und langsam (das Aktionspotential muss die gesamte Axonmembran
"mitreißen", alle Membranflächen machen bei der Generierung des
Aktionspotentials mit, was zeitaufwendig ist und die Erregungsleitung
verlangsamt), im Gegensatz zur viel rascheren saltatorischen Erregungsausbreitung gut isolierter Axone.
Dendriten haben eine sehr geringe
Längskonstante und zeigen "passive" elektrotonische
Potentialausbreitung. Das erleichtert im Gehirn unterschiedliche
elektrische Verrechnungsprozesse auf engem Raum, die sich gegenseitig
kaum beeinflussen. Zur Auslösung von Aktionspotentialen am Soma einer
Nervenzelle ist die Addition mehrerer dendritisch-somatischer
Exzitationselemente notwendig (räumliche / zeitliche Summation).
Wie Impulse geleitet werden und wovon die Leitung abhängt
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 einer Vorlage in 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).
Markhaltige Nervenfasern leiten umso schneller, je größer ihr Durchmesser ist.
Aα-Fasern (motorisch) leiten Aktionspotentiale mit 80-120 m/s Geschwindigkeit.
Aß-Fasern (mechanosensible Afferenzen von der Haut) mit 40-70 m/s.
|
Bei afferenten Axonen sind Schmerzfasern umso stärker repräsentiert, je
geringer die Leitungsgeschwindigkeit ist (C-Fasern leiten vorwiegend
noxische Information).
Nozizeptive Afferenzen sind besonders dünne und langsame Nervenfasern.
|
Elektrische Reizung eines Nerven: Die unterschiedliche Isolierung der Fasertypen macht sich auch in deren Reizschwelle bemerkbar. Wird ein
(gemischter, d.h. sensomotorischer) Nerv elektrisch gereizt, dann hängt
die Antwort von der Intensität des Reizes ab. Bei niedriger Reizstärke (Rechteckreiz unter ≈50 V) reagieren zunächst nur Ia-Fasern aus Muskelspindeln mit Aktionspotentialen (hier kommt es zur höchsten Stromliniendichte an den Schnürringen), gefolgt von α-motorischen Fasern. Je höher die Reizintensität, desto mehr Fasertypen (mit abnehmender Isolierung) sprechen in dem gemischten Nerven an.
Ähnliches gilt für die elektrische Nervenreizung im Rahmen elektromyographischer Untersuchungen (H-Welle, M-Welle).
Verschiedene Nervenfasertypen sind unterschiedlich empfindlich gegenüber der blockierenden Wirkung von Lokalanästhetika. Stoffe aus dieser Substanzgruppe blockieren die spannungsabhängigen Natriumkanäle in der Membran der Nervenfasern, indem sie den geschlossenen Zustand des Natriumkanals stabilisieren. Das blockiert den Natriumeinstrom und damit die Fortpflanzung der Aktionspotentiale.
Die dünnen C-Fasern fallen früher aus als stärker isolierte. Lokalanästhesie
eines gemischten sensiblen Nerven lässt die Empfindungen in folgender
Reihenfolge ausfallen: Schmerz, Temperaturempfinden,
Mechanosensibilität.
Postganglionäre Fasern des sympathischen Systems sind ebenfalls bald
"betäubt", ihre Blockade hat u.a. einen Ausfall des
Vasokonstriktorentonus und damit Vasodilatation und
Perfusionssteigerung zur Folge.
Risiko: Durch
Zusatz vasokonstriktiver Stoffe (wie Adrenalin, Noradrenalin) bleibt
das Lokalanästhetikum länger vor Ort (verzögerter Abtransport). Damit
ist es lokal wirksamer, und der Vasokonstriktor wird auch langsamer in
den systemischen Kreislauf entlassen - wo er Nebenwirkungen hat, wie
Tachykardie und Blutdruckanstieg.
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 ≈85 Milliarden Nervenzellen).
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. (Der Begriff Refrakterität steht allgemein für Unempfindlichkeit nach einer Erregungsphase.)
Während der
absoluten Refraktärzeit ist die Zelle unerregbar (bei Nervenfasern sind alle
Natriumkanäle im Zustand "unerregbar")
In der
relativenRefraktärperiode
ist die Reizschwelle zur Auslösung einer weiteren
Erregung erhöht (einige der spannungsgesteuerten Natriumkanäle sind im
Zustand "geschlossen / aktivierbar", andere noch im Zustand "nicht
aktivierbar").
Natriumkanäle und Membranpotential: Das Membranpotential bestimmt die reizbedingte Öffnungswahrscheinlichkeit
von Natriumkanälen. Trifft ein Reiz eine hyperpolarisierte Membran
(≈-100 mV), ist die Öffnung der (spannungsabhängigen) Natriumkanäle und
damit der Natriumeinstrom maximal stark. Beträgt das
Ausgangs-Membranpotential -60 mV, ist der Natriumeinstrom nur noch etwa
60% des möglichen Maximalwertes. Je stärker die Zelle depolarisiert
ist, desto geringer wird der reizbedingte Einstrom von Natriumionen -
bis an der Membran schließlich der Natriumeinstrom ganz ausbleibt (die Zelle ist dann refraktär).
Diese Effekte
werden allerdings nur wirksam, wenn das Membranpotential bedächtig
reduziert wird, d.h. ohne dabei ein Aktionspotential auszulösen:
Zeitabhängigkeit des Effekts: Die Inaktivierung der Natriumkanäle durch Senkung des Membranpotentials tritt bei langsamer Vordepolarisierung auf (und kann dazu genützt werden, die Zelle unempfindlicher für depolarisierende Reize zu machen - "Einschleichen"). Die Zelle adaptiert sich an einen langsam aufgebauten Reizstrom. Depolarisiertt man hingegen rasch, überschreitet man das Schwellenpotential, bevor die Senkung des Natriumeinstroms greifen kann, und es wird ein Aktionspotential ausgelöst. Umgekehrt heißt das: Für die Auslösung eines Aktionspotentials besteht ein "Steilheitsbedarf" für den (erfolgreichen) Reizaufbau.
Die Aktivierbarkeit der Natriumkanäle ist u.a. auch kalziumabhängig: Steigt das extrazelluläre [Ca++] (Hyperkalzämie), nimmt die Aktivierbarkeit der Natriumkanäle ab. Umgekehrt steigt die Erregbarkeit bei Erniedrigung des [Ca++] (Hypokalzämie), was die Auslösung von Entladungssalven und Muskelkrämpfe bedingen kann (z.B. Hyperventilationstetanie).
Die Dauer der absoluten Refrakterität bestimmt 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.)
Saltatorische Erregungsausbreitung
>Abbildung: Stromfluss bei saltatorischer Erregungsleitung
Modifiziert nach einer Vorlage in ib.cnea.gov.ar
Der
elektrische Membranwiderstand ist am Schnürring gering (hier gibt es
keine Isolierung durch Schwann'sche Zellen der Myelinscheide), Strom
fließt hier mit hoher Dichte durch die Membran und wird
deshalb leicht überschwellig.
Strom fließt auch durch die Membran der
Internodien, aber nur mit geringer Dichte (hoher Membranwiderstand)
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.
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: Stromfluss durch den "nächsten" und den "übernächsten" Schnürring
Modifiziert nach einer Vorlage bei Lovelace RE, Myers SJ, Nerve
Conduction and Neuromuscular Transmission (Chapter 10). In: The
Physiological Basis of Rehabilitation Medicine, 2nd ed. 1994,
Butterworth-Heinemann, Elsevier Ltd.
Stromfluss durch das Internodium vernachlässigt
Die
<Abbildung soll verdeutlichen, worauf es ankommt: Erfolgt an einem
Schnürring eine überschwellige Reizung (rotes Areal links), dann
entsteht hier ein Aktionspotential - umso schneller, je geringer die elektrische Kapazität der Membran ist. Das führt, wie oben beschrieben, zu elektrotonischer Reizausbreitung in die Nachbarschaft. Dieser findet am benachbarten Schnürring
den geringsten transmembranalen Widerstand, hier drängen sich die
Stromlinien am dichtesten, und diese Stellewird folglich besonders
rasch erregt.
Einen Schnürring weiter
fließt auch Strom, aber der Längswiderstand des doppelt so langen
Axonabschnittes ist größer, und die Stromliniendichte entsprechend
niedriger (um wieviel, hängt von der Längskonstante der Faser ab - 37%
der ursprünglichen Potentialdifferenz findet sich in einer Entfernung
von <1 mm (schlecht isolierte Fasern) bis 5 mm (gut isolierte
Fasern). Und so kann die Erregung über mehrere Schnürringe
überschwellig wirken - bis der Reizstrom nur noch unterschwellige Größe
hat und am betreffenden Schnürring (in diesem Augenblick) kein
Aktionspotential mehr ausgelöst wird.
| Je
geringer die Membrankapazität im Bereich des Internodiums, umso rascher
entsteht das Aktionspotential und umso höher ist die
Leitungsgeschwindigkeit.
|
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).
>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
Am Ranvier-Schnürring
ist das Axon nicht von Myelin bedeckt. Hier können Aktionspotentiale
entstehen, die Zone ist reich an spannungsabhängigen Natriumkanälen,
spezifischen Zelladhäsionsmolekülen und Komponenten der extrazellulären
Matrix. Im paranodalen Bereich (Paranodium) besteht das Myelin aus paranodalen Schleifen der Schwann-Zellen, deren zum Axon gerichteten Zellkontakte für Ionen undurchlässig sind (septate junctions, Diffusionsbarriere).
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.
<Abbildung: Erregungsleitung entlang einer markhaltigen Nervenfaser
Nach einer Vorlage bei Pearson Education 2004
Die
elektrotonische Erregungsausbreitung erfolgt an den Stellen des
geringsten Membranwiderstandes, d.h. an der "nackten" Membran zwischen
den Internodien, und dann von Schnürring zu Schnürring (saltatorisch).
Stromfluss durch das Intersitium in Rottönen, Stromfluss durch das
Axoplasma blau angedeutet.
Der elektrische Widerstand ist im
Extrazellulärraum gering (Ionenleiter), im Axoplasma abhängig von der
Distanz (Längswiderstand), transmembranal an den Schnürringen
wesentlich geringer als am Internodium
Erregbarkeitsprüfung: Chronaxie und Rheobase
Mittels Reizelektroden kann die Erregbarkeit von Nerven (sensorisch, motorisch) 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 nichtinvasiver Reizung
(perkutan: Elektrode auf der Haut) hängt die Größe eines
überschwelligen Reizes (des Rheobasenstroms) vom Hautwiderstand und der
Menge an Unterhautgewerbe ab. Sie kann von Mensch zu Mensch sehr unterschiedlich sein und muss für jeden Patienten individuell bestimmt werden. Die Chronaxie hingegen ist von Person zu Person gut vergleichbar, da sie über den individuellen Rheobasenwert definiert ist - sie ist eine von
Widerstandswerten unabhängige Kenngröße
und entspricht ungefähr der Zeitkonstante, welche die betreffenden
Zellmembranen aufweisen.
Die Reizanordnung kann auch invasiv sein, d.h. die Elektrode wird in den Muskel eingestochen. Das macht die Messresultate besser reproduzierbar.
Bei dicken Nervenfasern liegt der Normalwert für die Chronaxie in der
Gegend von
≈0,1 Sekunden. Demyelinisierungserkrankungen führen zu einer Erhöhung
der Chronaxie der betroffenen Nervenfasern. Die Chronaxie hängt von der
Dichte spannungsgesteuerter Natriumkanäle in der Zellmembran ab. Fast-twitch-Muskeln haben niedrigere Chronaxiewerte als Slow-twitch-Muskeln.
Erkrankungen von Nerven- oder Muskelfasern zeigen entsprechende
Veränderungen der Chronaxiewerte. So kann Parathyreoidismus die
Chronaxie erhöhen (Kalziumabhängigkeit s. oben), Nervengifte verringern die Werte, Muskelerkrankungen (Degenerationen) ebenfalls.
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.
Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen:
Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie
sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und
Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.
