Aktionspotential: Zeitlicher Ablauf

1. Aktionspotential: Zeitlicher Ablauf

2. Inhalt • Detailliertes Bild des zeitlichen Ablaufs beim Aufbau eines Aktionspotentials • Potentiale als Funktion der Zahl der geöffneten Kanäle

3. Das Aktionspotenzial • „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 • „Depolarisation“: Ein Reiz öffnet die Na+ Kanäle, Na+ strömt in die Zelle • Anstiegsphase: Na+ Kanäle bleiben geöffnet, pos. Spannung durch Na+ in der Zelle, Rückkopplung öffnet die Na+ Kanäle noch weiter: Schneller Anstieg • „Repolarisation“: K+ Kanäle öffnen, K+ strömt aus der Zelle, Spannung wird negativ • „Nachpotenzial“: Es fehlt der Na+ Zustrom, Spannung wird negativer als das Ruhepotenzial • Na+ fließt wieder teilweise, das Ruhepotenzial stellt sich ein

4. 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/ ms

5. Ruhepotenzial Max. Aktionspotenzial Ruhepotenzial mV 0 40 -60 • Spezielle K+ Kanäle sind geöffnet, sie allein würden das Potential auf -90 mV einstellen. • Na+ diffundiert in geringem Maß von A nach I und hebt das Ruhepotential auf -60 mV. -90 Na+ 150 mmol/l Na+ 15 mmol/l Anionen 155 mmol/l Cl- 155 mmol/l K+ 140 mmol/l K+ 5 mmol/l Elektrische Feldstärke I A

6. Reiz und Depolarisation Depolarisation: Ein Reiz mit Potential über dem Schwellenpotential löst ein Aktionspotential aus Schwellen-potential Ruhephase ms

7. Ruhepotenzial Max. Aktionspotenzial Reiz und Depolarisationsphase, Anstieg zum Aktionspotential mV 0 40 -60 • Ein Reiz öffnet einige Na+ Kanäle, die Depolarisation beginnt. • Liegt er über dem Schwellenpotential (etwa -55mV) , dann öffnen weitere Na+ Kanäle: Depolarisationsphase, Spannungsanstieg zum Aktionspotential +40 mV -90 Na+ 150 mmol/l Na+ 15 mmol/l Anionen 155 mmol/l Cl- 155 mmol/l K+ 140 mmol/l K+ 5 mmol/l I A

8. Beginn der Repolarisation Na-Leitfähigkeit Repolarisationsphase: Na+ Kanäle schließen, K+ Kanäle öffnen bis zum Maximum ms K-Leitfähigkeit

9. Ruhepotenzial Max. Aktionspotenzial Repolarisationsphase (1) bis zum Maximum der K+ Leitfähigkeit mV 0 40 -60 • Repolarisation: Na+ Kanäle schließen, K+ öffnen, Potential wird negativ -90 Na+ 150 mmol/l Na+ 15 mmol/l Anionen 155 mmol/l Cl- 155 mmol/l K+ 140 mmol/l K+ 5 mmol/l I A

10. Repolarisation und Nachpotenzial Repolarisationsphase: Na+ Kanäle werden inaktiviert, K+ Kanäle schließen, ms

11. Ruhepotenzial Max. Aktionspotenzial Repolarisationsphase (2) Inaktivierung der Na+ Kanäle mV 0 40 -60 • Na+ Kanäle schließen und werden inaktiviert • K+ Kanäle schließen bis auf die des Ruhepotentials: Weil der Na+ Zustrom fehlt, wird das Potential negativer als das Ruhepotential -90 Na+ 150 mmol/l Na+ 15 mmol/l Anionen 155 mmol/l Cl- 155 mmol/l K+ 140 mmol/l K+ 5 mmol/l I A

12. Aktivierung der Na+Kanäle Einige Na+ Kanäle werden wieder aktiviert, der Na+ Einfluss reduziert das K Potential auf das Ruhe-Niveau, -60 bis -70mV ms

13. Ruhepotenzial Max. Aktionspotenzial Ruhepotenzial mV 0 40 -60 Nach Reaktivierung der Na+ Kanäle diffundiert Na+ in geringem Maße von A nach I und hebt das Ruhepotential auf -60 mV -90 Na+ 150 mmol/l Na+ 15 mmol/l Anionen 155 mmol/l Cl- 155 mmol/l K+ 140 mmol/l K+ 5 mmol/l Elektrische Feldstärke I A

14. Das Aktionspotenzial • „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 • „Depolarisation“: Ein Reiz öffnet die Na+ Kanäle, Na+ strömt in die Zelle • Anstiegsphase: Na+ Kanäle bleiben geöffnet, pos. Spannung durch Na+ in der Zelle, Rückkopplung öffnet die Na+ Kanäle noch weiter: Schneller Anstieg • „Repolarisation“: K+ Kanäle öffnen, K+ strömt aus der Zelle, Spannung wird negativ • „Nachpotenzial“: Es fehlt der Na+ Zustrom, Spannung wird negativer als das Ruhepotenzial • Na+ fließt wieder teilweise, das Ruhepotenzial stellt sich ein

15. 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

16. finis • Die Topographie der Ionenkanäle „ersetzt“ die Hydrathülle