Pr sentation 14.11.07 Membranen Netz heller Hintergrund.ppt) · •Nur organische Anionen können...

Biopsychologie Vertiefung WS 07/08

•Wiederholung: Informationsverarbeitung im Gehirn

•Wiederholung Vorlesung: das Neuron

• Aufbau und Funktion der Zellmembran

• Ionenkanäle

•Wiederholung Vorlesung: das Ruhepotential

•Wiederholung Vorlesung: Das Aktionspotential

Gliederung

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Informationsverarbeitung

Input OutputGehirn

Sinneseindrücke Verarbeitung

Verhalten: z.B. Motorik, Denken, Emotion, physiologische Reaktionen

riechen

sehen

hören

spüren

schmecken

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Input OutputGehirn

Sinneswahrnehmung:

Sehen: Glas mit Saft

Verarbeitung:

Erkennen: „das ist ein Glas mit Saft“

Registrieren physiologischer Bedürfnisse: „ ich habe Durst“

Bewertung: „das sieht lecker aus“

Motivation: „ ich will das haben“

Motorik: Einleiten der Handlung

Verhalten:

nach dem Glas greifen

Bsp. Informationsverarbeitung

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Das Gehirn

das Gehirn ist zusammengesetzt aus ca.

100 000 000 000 (100 Milliarden) Nervenzellen

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graue/weiße Substanz

weiße Substanz = Axone

graue Substanz = Zellkörper

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die Nervenzellen „kommunizieren“ miteinander

Informationsübertragung

visuelle Informationen

sie übertragen Informationen von A nach B

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für die Informationsübertragung sind sie „perfekt“ ausgestattet:

Struktur der Nervenzelle

INFORMATION

Dendritenbaum – zum „Auffangen“ der Informationen

Zellkörper

Axon – zum Weiterleiten der Information

Synaptisches Endknöpfchen –zur Weitergabe der Information

Axonhügel

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Die Nervenzelle ist von einer Membran umgeben, die das Zellinnere gegen den Extrazellulärräum abgrenzt

Die Zellmembran

Lipiddoppelschicht

Phosphorsäure

Fettsäure

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• Die Nervenzellmembran baut sich aus Phosphoglyceriden(Phospolipiden) auf

• Diese Moleküle haben

•einen polaren (hydrophilen) „Kopf“ und

•zwei unpolare (hydrophobe) „Schwänze“

• sie bilden in wässriger Lösung spontan bimolekulareSchichten

Die Zellmembran

PhosphorsäureFettsäure

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• Zellmembran = dünne (ca. 5-10 nm),zweischichtige Struktur

• grenzt die Zelle von ihrer Umgebung ab

• hat große Bedeutung für die

Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen

des Körpers

� jede Art von Wechselwirkung zwischen

der Zelle und ihrer Umgebung erfolgt

durch diese Membran

Die Zellmembran

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Gibt man einige Phospholipide in Wasser, können sich 2 Strukturen bilden:

Lipiddoppelschichten

bimolekulare Schicht, Fettsäureschwänze (Kohlenwasserstoffketten) innen, Phosphorsäureköpfe außen

Tatsächlich bilden die Phosphoglyceride der Zellmembran spontan Lipiddoppelschichten (keine Micellen) aus

Micellen

kugelförmig, Fettsäureschwänze (Kohlenwasserstoffketten) innen, Phosphorsäureköpfe außen

Die Zellmembran

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Die Lipiddoppelschicht enthält große Proteinmoleküle:

Die Zellmembran: Rolle der Proteine

1. Membrandurchspannende

(transmembrane)

2. einseitig aus der Membran

herausragende (integrale)

3. auf der Membran aufliegende

(periphere) Proteinmoleküle

Proteingehalt einer typischen Membran: ca. 50%

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• die Membranproteine haben unterschiedliche Funktionen:

o Kanäle

o Rezeptoren

o Pumpen

o Enzyme

• Transport von chemischen Substanzen, Weitergabe von

Information, Beteiligung am Stoffwechsel

Die Zellmembran: Rolle der Proteine

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Die Zellmembran

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• Einige Membranproteine stellen „Poren“ oder „Kanäle“ dar, durch

die geladene Teilchen (Ionen) passieren können

Membrankanäle

• Die Lipiddoppelmembran wäre ohne Membranproteine quasi undurchlässig

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• außerhalb und innerhalb der Nervenzelle befinden sich viele

verschiedene Ionen in unterschiedlichen Konzentrationen

Membrankanäle

Extrazellulärraum

Intrazellulärraum

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•mit Hilfe der Ionenkanäle können die Ionen die Membranseite

wechseln

• Ionenkanäle „erkennen“ bestimmte Ionen und sind nur für diese

durchlässig

• In der Nervenzelle gibt es spezifische Kanäle für K+, Na+, Cl- und

Ca2+

• sie ermöglichen extrem hohe Geschwindigkeit der Ionenleitung

(100 Millionen Ionen/s)

• es sind nicht nur einfache Röhren, sondern hoch komplexe

molekulare Strukturen, die auf chemische und physikalische

Veränderungen in ihrer Umwelt reagieren können

Membrankanäle

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Es gibt 2 Arten von Ionenkanälen:

Ionenkanäle

Offene Ionenkanäle

• besitzen keinen Verschlussmechanismus

• im Ruhezustand der Zelle immer geöffnet

• Ionen fließen passiv durch

• Kanäle sind selektiv für bestimmte Ionen

• kein Energieaufwand; Ionen diffundieren aufgrund des Konzentrationsgefälles

Verschließbare Ionenkanäle

• aktiv – können sich öffnen und schließen

• werden durch unterschiedliche Mechanismen gesteuert:

• transmittergesteuert

• mechanisch gesteuert

• spannungsgesteuert

• (De)phosphorylierung

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Ionenkanäle sind selektiv für verschiedene Ionenarten

z.B. Kaliumkanal

Ionenkanäle

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Ligandenbindung (De-)Phosphorylierung

Änderungen des Membranpotentials mechanische Reize

(De-)Phosphorylierung

Änderungen des Membranpotentials mechanische Reize

Ligandenbindung

Mechanismen der Ionekanalsteuerung

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Verschlussmechanismen der Ionenkanäle

lokale Konformationsänderung des Proteins (Schließung an einem begrenzten Bereich)

Konformationsänderung des Gesamtmoleküls (Schließung über die gesamte Länge des Kanals)

Ball and Chain-Modell (ein bewegliches Teilchen blockiert die Kanalmündung)

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Die Ionenkanäle spielen eine entscheidende Rolle bei der elektrischen Aktivität (Ruhepotential / Aktionspotential) einer Nervenzelle

Im Inneren der Zelle befinden sich - relativ zum Extrazellulärraum-

viele negative elektrische Ladungen

Das Ruhepotential

Extrazellulärraum

Intrazellulärraum

+

+

++

++++

+

+

++

+ +

+

+

+

+

+

+

+

++

+

--

--

- --

-

-

-

-

-

-

-

+

+

++

+ +

+

+

+++

+

+

+

+

+

+

+

+

++

+

+ ++

+

+

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• Über die Membran einer Nervenzelle hinweg besteht eine

Potentialdifferenz von -60 bis -70 mV

• die Potentialdifferenz ist eine relative Größe (Außenmedium ist

definiert als 0 mV)

• In diesem System spielen eine Rolle

– Ionen

– Ionenkanäle

– eine Ionenpumpe

– elektrostatische und

– Diffusionskräfte

Das Ruhepotential

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Konzentrationsmessungen innerhalb und außerhalb eines Axons ergeben folgende Werte:

-sehr geringhochProtein- und Säureanionen

(A-)

+5544050Natrium (Na+)

-6056052Chlorid (Cl-)

-7520400Kalium (K+)

Nernst-Potential (in mV)

Konzentration außen (mmol/l)

Konzentration innen (mmol/l)

Ionentyp

Ionenkonzentrationen beim Ruhepotential

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• Die Gliazellmembran besitzt Ionenkanäle, die nur für K+ durchlässig sind

• Alle anderen Ionen können die Membran nicht durchdringen

Annahme A: Alle Kalium-Ionen befinden sich im Zellinneren

(und es besteht keine Potentialdifferenz)

DiffussionskraftKalium

Ruhepotiential Bsp. Gliazellmembran

Diffusionskraft:

Konzentrationsdifferenz wird ausgeglichen -> Kalium diffundiert ausder Zelle

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Ergebnis:

K+ verlässt die Zelle über Ionenkanäle, um das Konzentrationsgefälleauszugleichen= „Bewegung entlang des chemischen Konzentrationsgradienten“

DiffussionskraftKalium

Ruhepotiential Bsp. Gliazellmembran

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Annahme B:

Es wird berücksichtigt, dass sich im Zellinneren viele organische Anionen[A-] (mit negativer Ladung) befinden

• die negative Ladung bewirkt, dass die positiven Kalium-Ionen

angezogen werden (elektrostatische Anziehung)

• diese verhindert den starken Ausstrom der Kalium-Ionen

• es wirken also 2 Kräfte gegen einander: Diffusionskraft und

elektrostatische Kraft

Diffussionskraft

Elektrostatische Kraft

Kalium

Anionen

Ruhepotiential Bsp. Gliazellmembran

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• Die elektrostatische Kraft verstärkt sich, je mehr Ionen das

Zellinnere verlassen

Diffussionskraft

Elektrostatische Kraft

Kalium

Anionen

Ergebnis:

Viele Kalium-Ionen, die die Zelle gerne verlassen würden, werdendurch elektrostatische Kräfte zurückgehalten

Ruhepotiential Bsp. Gliazellmembran

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Ruhemembranpotential

Bei gleichzeitigem Wirken beider Kräfte ergibt sich das in der Tabelle beschriebene Konzentrationsgefälle für Kalium-Ionen. Dieses Gefälle ist ein Gleichgewicht, das sich selbst stabil hält

-7520400Kalium (K+)

Nernst-Potential (in mV)

Konzentration außen (mmol/l)

Konzentration innen (mmol/l)

Ionentyp

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Weil das Gleichgewicht, das sich für Kalium (K+) ergeben

hat, letztlich einen kleinen Überschuss positiver Ladungen

im Zelläußeren und negativer Ladungen im Zellinneren

hinterlässt, ergibt sich eine Potentialdifferenz.

Die Ladungen streben nach einem gegenseitigen

Ausgleich, der aber durch die Membran hindurch nicht

möglich ist

Ruhemembranpotential

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• die Nervenzellmembran ist – neben Kalium- auch für Natrium- und

Chlorid-Ionen permeabel

• Nur organische Anionen können nicht durch die Membran diffundieren

• Die Membran ist für keine Ionensorte frei permeabel, sondern nur

eingeschränkt durchlässig.

• Für jede der drei Ionensorten werden elektrostatische- und

Diffussionskräfte wirksam

Nervenzellmembran

K+

Na+

Cl-

extrazellulärer Raum

Zytoplasma

Na+

Na+

+++

- - -

Treibende Kraft Netto treibende KraftX

Permeabilität (Pi)Nettoionenfluss

elektrostatischDiffusion

extrazellulärer Raum

Zytoplasma K+

K+ +++

- - -

extrazellulärer Raum

Zytoplasma

Cl-

Cl -

+++

- - -

x PNa =

x PK =

x PCl =

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Das Na+-Gleichgewichtspotential für die Konzentrationen in der Tabelle beträgt laut Nernst-Gleichung +55 mV

Warum wird dieses Potential an der Nervenzellmembran letztlich nicht erreicht?

• Eine Zelle hat relativ wenige Na+–Kanäle mit Ruheleitfähigkeit

• daher ist die Na+-Leitfähigkeit im Ruhezustand ziemlich niedrig und

der Einstrom von Na+ in die Zelle gering, obwohl starke chemische

und elektrische Kräfte Na+ in die Zelle drängen

Nervenzellmembran

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• durch den Einstrom von Na+ entsteht eine leichte Depolarisation

des Membranpotentials

• das Potential entfernt sich vom K+- Gleichgewichtspotential

• deshlab erhöht sich die elektrochemische Kraft, die K+ aus der Zelle

treibt

• Neurone haben viele Ruhekanäle mit K+-Leitfähigkeit, deshalb kann

K+ ungehindert die Zelle verlassen

• der K+-Ausstrom ist genauso groß, wie der Na+ Einstrom

Nervenzellmembran

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Ionenverteilung

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Diese Vorgänge haben zwei Effekte:

1. Das Potential verändert sich so lange in Richtung Na+-Gleichgewichtspotential, bis ein Gleichgewicht zwischen Na+-Einstrom und K+-Ausstrom erreicht istDieses Gleichgewicht ergibt sich bei etwa -60 mVDamit hat sich das Membran-Potential ein wenig in Richtung Na+-Gleichgewichtspotential verschoben, ist aber noch weit von den berechneten +55 mV entfernt

2. Das System ist zwar elektrostatisch ausgewogen, jedoch wechseln Na+ und K+ immer wieder ihre Plätze im Zellinneren bzw. ZelläußerenGegensteuerung: aktiver Austauschmechanismus, die Natrium-Kalium-Pumpe

Nervenzellmembran

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• aktive Ionenpumpe, die unter Energieverbrauch den Ionengradienten

aufrecht erhält

• gleicht den passiven Ionenfluss (Leckstrom) von Na+- un Ka+-Ionen

aus

• für 2 Kaliumionen, die sie in die Zelle bringt, pumpt sie 3

Natriumionen aus der Zelle heraus in den Extrazellulärraum

• die Na+/K+Pumpe ist für die Konstanthaltung der Na+-K+-

Konzentration verantwortlich

Die Natrium-Kalium-Pumpe

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• Trotz passiven Eintritts der Na+-Ionen und dem ständigen Austritt

von K+-Ionen ist das Ruhepotential konstant Ionenverteilung ändert

sich mit Hilfe der Ionenpumpe nicht

• Na+/Ka+Pumpe sorgt für einen aktiven Transport von Na+ aus der

Zelle und gleichzeitig von K+ in die Zelle

• Dabei müssen beide Ionen gegen ihren elektrochemischen

Gradienten bewegt werden

� dafür benötigte Energie wird durch ATP zur Verfügung gestellt

Die Natrium-Kalium-Pumpe

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Die Aktivität der Pumpe ist von der Natriumkonzentration in der Zelle und von der

Kaliumkonzentration außerhalb der Zelle abhängig.

Je mehr Natrium sich in der Zelle befindet, umso aktiver wird die Pumpe

Die Natrium-Kalium-Pumpe

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Ruhemembranpotential

FAZIT:

Das Ruhemembranpotential ist ein „Fließgleichgewicht“-> der aktive Auswärtsstrom durch die Pumpe wird durch den passiven Einwärtsstrom durch die Ionenkanäle genau ausgeglichen

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• Cl- liegt außerhalb der Zelle in höherer Konzentration vor als

innerhalb

� Diffusionsneigung nach Innen, wobei die elektrostatische

Kraft Chlorid-Ionen daran hindert, in die Zelle einzudringen

• Die Verteilung der Chlorid-Ionen richtet sich nach den

bestehenden Kräften, vor allem der Verteilung von K+ und

Na+, und stellt sich auf ein Gleichgewicht ein, das ziemlich

genau dem Ruhepotential der Zelle entspricht

Rolle der Chlorid-Ionen

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Allgemeine Informationen:

• Nervenzellen (NZ) dienen der Informationsübermittlung

• sie kommunizieren über elektrochemische Signale

-> elektrisch = Aktionspotentiale, die die Information

weiterleiten und

-> chemisch = Neurotransmitter, die an der Axonendigung

ausgeschüttet werden und das Signal auf die nachfolgende

NZ übertragen

Das Aktionspotential

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• das Aktionspotential beginnt an der Stelle, wo das Axon den

Zellkörper verlässt

• es pflanzt sich auf dem Axon fort

• bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit das Axon hinab

• an der präsynaptischen Endigung angekommen, löst es die

Freisetzung chemischer Transmittermoleküle aus

Das Aktionspotential

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•Aktionspotentiale werden durch eine Vielzahl physikalischer

Ereignisse in der Umwelt ausgelöst:

� Geräusche

� Gerüche

� Geschmack

� Licht

� mechanischen Kontakt

� Temperatur

aber auch bei kognitiven Prozessen wie Lernen und Gedächtnis oder

bei emotionalen Prozessen (Schreck, Furcht, Angst, etc.) sowie

motorischen Prozessen.

Das Aktionspotential

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• durch Wirkung einer Transmittersubstanz an den Rezeptoren der

synaptischen Membran verändert sich die Durchlässigkeit der

Membran für Na+, Ka+, Cl- und Ca2+

• Ionen fließen in die Zelle und machen das Zellinnere „etwas

negativer“ (Cl-) oder etwas postitiver (Na+, K+)

• diese Prozesse nennt man Hyperpolarisation oder Depolarisation

• je „positiver“ das Zellinnere wird (Depolarisation -> Einstrom von

Na+ oder K+), um so leichter kann ein Aktionspotential ausgelöst

werden

• je „negativer“ das Zellinnere wird (Hyperpolarisation -> Einstrom

von Cl-), um so schwieriger ist es, ein Aktionspotential auszulösen

Entstehung des Aktionspotentials

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EPSP und IPSP

Erregendes Signal

• erregendes PostsynaptischesPotential = EPSP

• Änderung des Membranpotentials

• Depolarisation

Hemmendes Signal

• InhibitorischesPostsynaptischesPotenzial = IPSP

•Änderung des Membranpotentials

• leichte Hyperpolarisation

führt zu elektrotonischem Strom, der zum Axonhügel wandert und dort u.U. ein Aktionspotential auslöst

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• spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich bei einem Wert

von -55mV

• EPSPs und IPSPs werden „verrechnet“

• bei vielen EPSPs wird u.U. der Schwellenwert erreicht und die Na+

Kanäle öffnen sich

• das Aktionspotential beginnt am Axonhügel – hier befinden sich

besonders viele Natriumkanäle

• verstärkter Na+-Einstrom führt zur weiteren Depolarisation der

Zelle und somit zu verstärktem Öffnen von Na+-Kanälen

Das Aktionspotential

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Das Aktionspotential

EPSP IPSP

Axonhügel

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• etwa zeitgleich öffnen sich spannungsgesteuerte K+-Kanäle

-> K+ strömt aus der Zelle aus

• K+-Kanäle schließen sich zeitverzögert, so dass viele positiv

geladene K+-Ionen ausströmen und das Zellinnere wieder

„negativer“ machen (Repolarisation)

• durch den verstärkten K+-Ausstrom erfolgt eine kurzzeitige

Hyperpolarisation, so dass direkt nach dem AP keine Erregung der

Zelle mehr möglich ist (Refraktärzeit)

Das Aktionspotential

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• die Geschwindigkeit der Fortleitung eines Aktionspotentials kann

durch eine Myelinschicht um das Axon erhöht werden

• Myelin = eine lipidreiche Biomembran, die sich spiralförmig um das

Axon legt

• sie erfolgt durch den Gliazelltyp der „Oligodendrozyten“

• Myelin wirkt wie eine „Isolierschicht“

Myelinisierung

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Myelinisierung

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• die Myelinscheide ist in regelmäßigen Abständen von Ranvierschen

Schnürringen unterbrochen

• an den Schnürringen wird das AP immer wieder neu generiert

• dort befinden sich besonders viele spannungsgestäuerte Na+-

Kanäle

= SALTATORISCHE REIZWEITERLEITUNG

Myelin + Aktionspotential

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Myelinisierung

Saltatorische Erregungsleitung

Die Markscheide um das myelinisierte Axon ist in regelmäßigen Abständen durch die Ranvierschen Schnürringe unterbrochen

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• die Nernst-Gleichung bietet die Möglichkeit, ein elektrisches

Potential zu berechnen, das sich an einer Membran ergibt

• der berechnete Wert von -75 mV entspricht dabei genau dem

empirisch ermittelten Gleichgewichtspotential einer Gliazelle

� dieses Potential ist allein vom Gleichgewicht der K+ -Ionen

abhängig

Anmerkungen zum Einsatz der Nernst-Gleichung:

sagt das Potential einer Zelle nur unter folgenden Bedingungen

exakt voraus:

• es wird nur eine bestimmte Ionensorte betrachtet

• die Konzentration der Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle ist

bekannt

• die Membran ist für das betrachtete Ion frei permeabel

Die Nernst-Gleichung

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Nernst-Gleichung:i

oK

K

K

zF

RTE

][

][ln +

+

=

Wobei: Ek Gleichgewichtspotential für Kaliumionen

R Allgemeine Gaskonstante

z Wertigkeit des Ions (für K+ ist z = 1)

F Faraday-Konstante

T Temperatur (in Kelvin)

[K+]o Extrazelluläre Konzentration der Kaliumionen

[K+]i Intrazelluläre Konzentration der Kaliumionen

• In einer Gliazelle entspricht die empirisch ermittelte Potentialdifferenz

genau der von der Nernst-Gleichung vorhergesagten

• Gilt nicht für eine Nervenzelle:

� Das Gleichgewichtspotential in einer Nervenzelle beträgt nur zwischen

-60 und -70 mV

� das Neuronmembranpotential ist zusätzlich von anderen Faktoren

abhängig

Die Nernst-Gleichung

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Das Ruhepotential kann unter konstanten Bedingungen (d.h. wenn sich Konzentrationen und Permeabilitäten nicht ändern) durch die Goldman-Gleichung berechnet werden.

oCliNaiK

iCloNaoKm

ClPNaPKP

ClPNaPKP

F

RTV

][][][

][][][ln −++

−++

++++

=

Wobei: Vm Ruhepotential an der ZellmembranP Permeabilität der Membran für eine Ionensorte

Goldman-Gleichung:

Untersuchung (A. Hodgkin & B. Katz; 1949) von Nervenzelle mit der Goldman-Gleichung: Über die Veränderung der extrazellulären Ionenkonzentrationenam Tintenfischaxon konnte gezeigt werden, dass die Goldman-Gleichung mit folgenden relativen Permeabilitätswerten exakt das Ruhepotential voraussagt:

PK / PNa / PCl = 1 / 0.04 / 0.45

Die Goldmann-Gleichung