Brecht VL 9- Ruhe und Membranpotential

Question 1

Membraneigenschaften

Answer 1

• nicht leitfähig 8großer Widerstand)
• kapazitive Eigenschaft (Plattenkondensator)

Question 2

Wie ergibt sich die Semipermeabilität der Zellmembran?

Answer 2

1. Flüssig-Mosaik-Modell: (veraltete)
   Poren (Membranporen) mit ca. 0,4 nm Durchmesser
2. Unregelmäßigkeiten in der Lipiddoppelschicht (bimolekulare Lipidschicht, Membranlipide) als Ursache der Semipermeabilität (Membranpermeabilität)

Die Semipermeabilität ist die Grundlage u.a. der auf Osmose basierenden physiologischen Phänomene.
Ionenkanäle + Widerstand

“In der einfachsten Definition wird von einer semipermeablen Membran gesprochen, wenn die Membran das Lösungsmittel, aber nicht den gelösten Stoff durchlässt. Allgemeiner formuliert werden nur Moleküle unterhalb einer bestimmten Molmasse bzw. Kolloide oder Partikel unterhalb einer bestimmten Größe durchgelassen.”

Question 3

Erläutern sie die Funktion von Hochpass und Tiefpassschaltbildern.

Answer 3

Hochpass und Tiefpass sind beides eine Art Filter.

• Hochpass- lässt die Frequenzen oberhalb ihrer Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren lassen und dämpft tiefere Frequenzen.
• Tiefpass - lässt die Signalanteile mit Frequenzen unterhalb ihrer Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren, Anteile mit höheren Frequenzen werden gedämpft

“Die Zellen funktionieren wie ein Hochpassfilter”, fasst Naundorf die Ergebnisse dieser Untersuchungen zusammen. “Schnelle Signale werden gut weitergeleitet, langsame Signale werden unterdrückt.”

Question 4

Wie ergeben sich die Tiefpassantworteigenschaften der Nervenzellmembran?

Answer 4

Nervenzellen sind so geschaltet, dass wir ein Verhalten wie beim
Ersatzschaltbild des Tiefpasses (mit Widerstand und Kondensator)
erfahren.

1. Der Kondensator schließt den Kreis kurz
2. Verzögert die Spannungsänderung trotz abrupt einsetzender Änderung des Stromflusses
   (der Tiefpass lässt nur langsame Veränderungen zu, da der Kondensator zunächst geladen bzw. entladen wird)

Question 5

Die Zeitkonstante (Tau)

Answer 5

• Zeit die benötigt wird, um 63% des Endwertes der Spannung u erreichen
• Charakterisiert die Geschwindigkeit der Spannungsänderung
• Maß dafür, wie schnell ein Neuron auf Strominput reagiert
• Verzögerung erfolgt zunächst durch Aufladen des Kondensators

Question 6

Die Längskonstante l

Answer 6

Die Längskonstante l ist die Strecke, nach welcher die Spannung V auf den e-ten Teil von V0 abgesunken ist.
(Ein hochwertiges Kabel besitzt eine große Längskonstante l).
Laut der Gleichung ist l um so größer, je höher der Hüllwiderstand Rm und je niedriger der Kernwiderstand Ri sind.

• Längskonstante λ gibt an, bei welcher Distanz noch 37% des Signals (Spannung) durchkommen
• 𝜆 = √𝑟𝑚/𝑟𝑖
• besonders limitiert durch Längswiderstand → nicht unendlich lange und dünne Neuronen möglich → vor allem Dendrite sind dicker als Axone

Axon ist kein passives Kabel sondern ein Wasserschlauch?

Question 7

Elektrochemisches Potenzial

Answer 7

• Extrazelulläre Seite: viel Na+ und Cl-
• Intrazelluläre Seite viel K+ und A-

1. Kaliumkonzentrationsgradient sorgt dafpr, dass Kalium aus Zelle rausströmt
2. Extrazelluläreseite ist nun elektropositiver
3. Elektrischespotenzialdifferenz sorgt dafür, dass Kalium wiederin Zelle rein strömt. (Elektrisches Potenzial wird wieder augegelichen)

Question 8

Wie lautet die Nernst-Gleichung und was gibt sie an?

Answer 8

Mit der Nernst-Gleichung lässt sich das Membranpotenzial berechnen, wenn nur eine einzige Ionenart
die Membran passieren kann. (Angenommen, dass die Membran Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen dieses Ions voneinander trennt.)
Ein Neuron im Ruhezustand kommt dieser Situation nahe, weil seine Permeabilität für K+-Ionen hoch und für alle anderen Ionenarten gering ist.

z.B Kalium
E_(K+)=(58mV/1) log ([20]/[400]) = -75mV

X_O- Konzentration Außen

X_{i -} Konzentration Innen

Question 9

Wie lautet die Goldman-Hodgn-Katz Gleichung und was gibt sie an?

Answer 9

Will man den Beitrag aller beteiligten beweglichen Ionen zum Potential berechnen, muss man auf die erweiterte Form der Nernst-Gleichung, auf die Goldman-Formel (Goldman-Hodgkin-Katz
Formel) zurückgreifen.
Die wesentliche Erweiterung gegenüber der Nernst-Gleichung ist die
Einführung von ionenspezifischen Permeabilitätskoeffizienten im Ruhezustand also vor allem von Kalium,während die Permeabilität für Natrium sehr gering ist.

Question 10

Funktion der Na+/K+ Pumpe

Answer 10

• arbeitet gegen Konzentrationdgradient (aktiver Prozess)
• 3 Na raus, 2 K rein (unter ATP verbrauch)
• Aufrechterhaltung des Zellvolumens
• Voruassetzung für Aufbau eines elektrischen Membranpotenzials (intrazellularen Raum wird mehr Ladung entzogen)
• treibende Kraft für den Erhalt des insbesondere für Nerven- und Muskelzellen funktional wichtigen elektrischen Ruhemembranpotentials

Question 11

Beschreibe den Ablauf des Aktionspotenzials

Answer 11

Aktionspotential – eine vorübergehende charakteristische Abweichung des Membranpotentials einer Zelle vom Ruhepotential, die sich als elektrisches Signal über die Zellmembran ausbreitet, umgangssprachlich bei Nervenzellen auch Nervenimpuls genannt.

• ​0.Ruhepotenzial
  alle spannungsabhängigen Kanäle geschlossen
• 1. Depolarisation
  Membranpotenzial steigt bis ins positive an
  spannungsabhängie Na+-Kanäle öffnen sich alle
  Überschuss an positiver Ladung im Zytoplasma entsteht
  Na+-Kanäle schließen nach 1–2 ms
  Bei ungefähr −55 mV fangen die spannungsabhängigen Natriumkanäle NaV an, in den offenen Zustand überzugehen. Natriumionen, die mit ihrer hohen Außenkonzentration weit von ihrem elektrochemischen Gleichgewicht entfernt sind, strömen ein, die Zelle depolarisiert. Dadurch werden weitere spannungsempfindliche Kanäle geöffnet, und noch mehr Ionen können einströmen: Der schnelle Aufstrich führt zum Overshoot (Umpolarisierung/Ladungsumkehr). Die „explosionsartige“ Depolarisierung nach Überschreiten des Schwellenpotentials kommt also durch eine positive Rückkopplung zustande.
• 3. Repolarisation
  Nach erreich des Maximum bei +20 mV bis +30mV folgt die Rückkehr ins Ruhepotential
  Na+-Kanäle inaktiviert
  spannungsabhängige K+-Kanäle öffnen (K+ strömt in Extrazelullärenraum)
  Rückkehr des Membranpotenzials ins negative
• 4. Hyperpolarisation
  In vielen Neuronen wird das Ruhepotential zunächst unterschritten. Während der Hyperpolarisation kann noch kein weiteres Aktionspotential ausgelöst werden.
  Na+-Kanäle geschlossen
  K+-Kanal weiterhin offen
• 5. Refrektärzeit
  Zelle ist für kurze Zeit nicht erregbar. Refraktärzeit, ist abhängig vom Zeitverlauf der Wiederaktivierung von Na-Kanälen. Während der absoluten Refraktärphase kurz nach dem Overshoot, wenn die Repolarisation noch im Gange ist, können diese Kanäle überhaupt nicht wieder öffnen.

Question 12

Wie kann das Ausbreitung des Aktionspotentials im Axon beschleunigt werden?

Answer 12

• Dicke/Durchmesser (Verringerung der Längskonstante)
• Myelinisierung