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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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
Informationsverarbeitung
Input OutputGehirn
Sinneseindrücke Verarbeitung
Verhalten: z.B. Motorik, Denken, Emotion, physiologische Reaktionen
riechen
sehen
hören
spüren
schmecken
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
Das Gehirn
das Gehirn ist zusammengesetzt aus ca.
100 000 000 000 (100 Milliarden) Nervenzellen
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
graue/weiße Substanz
weiße Substanz = Axone
graue Substanz = Zellkörper
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
die Nervenzellen „kommunizieren“ miteinander
Informationsübertragung
visuelle Informationen
sie übertragen Informationen von A nach B
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
Die Nervenzelle ist von einer Membran umgeben, die das Zellinnere gegen den Extrazellulärräum abgrenzt
Die Zellmembran
Lipiddoppelschicht
Phosphorsäure
Fettsäure
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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%
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
Die Zellmembran
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• Einige Membranproteine stellen „Poren“ oder „Kanäle“ dar, durch
die geladene Teilchen (Ionen) passieren können
Membrankanäle
• Die Lipiddoppelmembran wäre ohne Membranproteine quasi undurchlässig
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• außerhalb und innerhalb der Nervenzelle befinden sich viele
verschiedene Ionen in unterschiedlichen Konzentrationen
Membrankanäle
Extrazellulärraum
Intrazellulärraum
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
•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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
Ionenkanäle sind selektiv für verschiedene Ionenarten
z.B. Kaliumkanal
Ionenkanäle
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
Ligandenbindung (De-)Phosphorylierung
Änderungen des Membranpotentials mechanische Reize
(De-)Phosphorylierung
Änderungen des Membranpotentials mechanische Reize
Ligandenbindung
Mechanismen der Ionekanalsteuerung
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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)
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
+
+
++
++++
+
+
++
+ +
+
+
+
+
+
+
+
++
+
--
--
- --
-
-
-
-
-
-
-
+
+
++
+ +
+
+
+++
+
+
+
+
+
+
+
+
++
+
+ ++
+
+
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
Ergebnis:
K+ verlässt die Zelle über Ionenkanäle, um das Konzentrationsgefälleauszugleichen= „Bewegung entlang des chemischen Konzentrationsgradienten“
DiffussionskraftKalium
Ruhepotiential Bsp. Gliazellmembran
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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 =
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
Ionenverteilung
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
Ruhemembranpotential
FAZIT:
Das Ruhemembranpotential ist ein „Fließgleichgewicht“-> der aktive Auswärtsstrom durch die Pumpe wird durch den passiven Einwärtsstrom durch die Ionenkanäle genau ausgeglichen
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
•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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
Das Aktionspotential
EPSP IPSP
Axonhügel
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
Myelinisierung
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
Myelinisierung
Saltatorische Erregungsleitung
Die Markscheide um das myelinisierte Axon ist in regelmäßigen Abständen durch die Ranvierschen Schnürringe unterbrochen
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
• 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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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
Biopsychologie Vertiefung WS 07/08
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