Aktionspotential: Zeitlicher Ablauf
Inhalt
• Detailliertes Bild des zeitlichen Ablaufs beim Aufbau eines Aktionspotentials
• Potentiale als Funktion der Zahl der geöffneten Kanäle
Das Aktionspotenzial
1. „Ruhepotenzial“: Na / K Pumpe hält Na+ Überschuss außerhalb, K+ innerhalb der Zelle, Fluss
durch die K+ und – in geringerem Maße – Na+ Kanäle hält das Ruhepotential
2. „Depolarisation“: Ein Reiz öffnet die Na+ Kanäle, Na+ strömt in die Zelle
3. Anstiegsphase: Na+ Kanäle bleiben geöffnet, pos. Spannung durch Na+ in der Zelle, Rückkopplung öffnet die Na+ Kanäle noch weiter: Schneller Anstieg
4. „Repolarisation“: K+ Kanäle öffnen, K+ strömt aus der Zelle, Spannung wird negativ
5. „Nachpotenzial“: Es fehlt der Na+ Zustrom, Spannung wird negativer als das Ruhepotenzial
6. Na+ fließt wieder teilweise, das Ruhepotenzial stellt sich ein
Aktionspotentiale und Leitfähigkeiten
• 1963 Nobelpreis für Medizin an Sir John Carew Eccles, Alan Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley für "for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane" , http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1963/
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1.2 1.4 1,6 1.8 2.0 ms
Ruhepotenzial
1. Spezielle K+ Kanäle sind geöffnet, sie allein würden das Potential auf -90 mV einstellen.
2. Na+ diffundiert in geringem Maß von A nach I und hebt das Ruhepotential auf -60 mV.
mV
-60
K+
5 mmol/l
400
I A
K+ 140 mmol/l
-90
Na+
150 mmol/lNa+
15 mmol/l
Elektrische Feldstärke
Cl-155 mmol/l
Anionen155 mmol/l
Ruhepotenzial Max. Aktionspotenzial
Reiz und Depolarisation
Depolarisation: Ein Reiz mit Potential über dem Schwellenpotential löst ein Aktionspotential aus
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1.2 1.4 1,6 1.8 2.0 msRuhephase
Schwellen-potential
Reiz und Depolarisationsphase, Anstieg zum Aktionspotential
1. Ein Reiz öffnet einige Na+ Kanäle, die Depolarisation beginnt.
2. Liegt er über dem Schwellenpotential (etwa -55mV) , dann öffnen weitere Na+
Kanäle: Depolarisationsphase, Spannungsanstieg zum Aktionspotential +40 mV
mV
-60
K+
5 mmol/l
0
I A
K+ 140 mmol/l
-90
Na+
150 mmol/lNa+
15 mmol/l
Cl-155 mmol/l
Anionen155 mmol/l
40
Ruhepotenzial Max. Aktionspotenzial
Beginn der Repolarisation
Repolarisationsphase: Na+ Kanäle schließen, K+ Kanäle öffnen bis zum Maximum
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1.2 1.4 1,6 1.8 2.0 ms
Na-Leitfähigkeit
K-Leitfähigkeit
Repolarisationsphase (1) bis zum Maximum der K+ Leitfähigkeit
1. Repolarisation: Na+ Kanäle schließen, K+ öffnen, Potential wird negativ
mV
-60
K+
5 mmol/l
0
I A
K+ 140 mmol/l
-90
Na+
150 mmol/lNa+
15 mmol/l
Cl-155 mmol/l
Anionen 155 mmol/l
40
Ruhepotenzial Max. Aktionspotenzial
Repolarisation und Nachpotenzial
Repolarisationsphase: Na+ Kanäle werden inaktiviert, K+ Kanäle schließen,
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1.2 1.4 1,6 1.8 2.0 ms
Repolarisationsphase (2) Inaktivierung der Na+ Kanäle
1. Na+ Kanäle schließen und werden inaktiviert
2. K+ Kanäle schließen bis auf die des Ruhepotentials: Weil der Na+ Zustrom fehlt, wird das Potential negativer als das Ruhepotential
mV
-60
K+
5 mmol/l
0
I A
K+ 140 mmol/l
-90
Na+
150 mmol/lNa+
15 mmol/l
Cl-155 mmol/l
Anionen155 mmol/l
40
Ruhepotenzial Max. Aktionspotenzial
Aktivierung der Na+Kanäle
Einige Na+ Kanäle werden wieder aktiviert, der Na+ Einfluss reduziert das K Potential auf das Ruhe-Niveau, -60 bis -70mV
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1.2 1.4 1,6 1.8 2.0 ms
Ruhepotenzial
Nach Reaktivierung der Na+ Kanäle diffundiert Na+ in geringem Maße von A nach I und hebt das Ruhepotential auf -60 mV
mV
-60
K+
5 mmol/l
400
I A
K+ 140 mmol/l
-90
Na+
150 mmol/lNa+
15 mmol/l
Elektrische Feldstärke
Cl-155 mmol/l
Anionen155 mmol/l
Ruhepotenzial Max. Aktionspotenzial
Das Aktionspotenzial
1. „Ruhepotenzial“: Na / K Pumpe hält Na+ Überschuss außerhalb, K+ innerhalb der Zelle, Fluss
durch die K+ und – in geringerem Maße – Na+ Kanäle hält das Ruhepotential
2. „Depolarisation“: Ein Reiz öffnet die Na+ Kanäle, Na+ strömt in die Zelle
3. Anstiegsphase: Na+ Kanäle bleiben geöffnet, pos. Spannung durch Na+ in der Zelle, Rückkopplung öffnet die Na+ Kanäle noch weiter: Schneller Anstieg
4. „Repolarisation“: K+ Kanäle öffnen, K+ strömt aus der Zelle, Spannung wird negativ
5. „Nachpotenzial“: Es fehlt der Na+ Zustrom, Spannung wird negativer als das Ruhepotenzial
6. Na+ fließt wieder teilweise, das Ruhepotenzial stellt sich ein
Zusammenfassung
• Ladungstransport erfolgt über Ionen – und nicht, wie in den meisten Anwendungen der Technik,über Elektronen
• Zeitlich korrelierte, selektive Öffnung der Ionenkanäle für Na+ und K+ führt zu variabler Spannung zwischen der Innen- und Aussenseite der Membran
• Öffnungsmechanismen:– Spannung, führt zur rück-gekoppelten schnellen
Öffnung der Na+ Kanäle– Liganden, beim Übergang vom Neuron über den
synaptischen Spalt zur Membran• Zunehmende Leitfähigkeit der Membran wird durch
Aktivierung mehrerer Kanäle erreicht• Wiederholte Aktivierung nach der „Refraktärzeit“ von
wenigen ms verstärkt das Signal
finis
• Die Topographie der Ionenkanäle „ersetzt“ die Hydrathülle