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