Elektrische Potentiale

Question 1

Welche Faktoren sind für das Zustandekommen des Ruhepotentials einer Nervenzelle verantwortlich?

Answer 1

• Semipermeabilität der Membran:
◦ keine passive Permeierung der Membran durch ionische/polare Stoffe
◦ K+-Kanäle immer offen, Na+ Kanäle geschlossen
◦ nicht permeabel für ionische AS-Reste (neg. gel.)
→ unterschiedliche Ionenverteilung außen/innen
• aktive Prozesse: Na+/K+-ATPase
◦ [Na+]i ↓, [K+]i ↑

Question 2

Erläutern Sie die Funktion und Eigenschaften der NA+/K+-Pumpe!

Answer 2

• Aktiver Transport
• 3 Na+ nach außen, 2 K+ nach innen
• erhält Ruhepotenzial aufrecht
• ATP Verbrauch (da gegen Konzentrationsgradienten und bei Na+ auch gegen elektrischen Gradienten)

Question 3

Was wird mit der Nernst’sche Gleichung berechnet?

Answer 3

Elektrochemisches Potential für einen Ionentyp

Question 4

Das Nernst’sche Gleichung gibt nicht das Ruhepotential einer Nervenzelle an! Wie könnte man die Gleichung dennoch nutzen?

Answer 4

Die einzelnen Konzentrationen der Ionen im logarithmischen Therm werden mit ihrer Permeabilität multipliziert und anschließend zusammen addiert.

Question 5

Wie beschreiben Sie das Aktionspotential mithilfe der Nernst’schen Gleichung?

Answer 5

Aufgrund der Permeabilitätsänderung verschiebt sich das Potential der Kalium-Ionen Richtung des Pontential der Natirum-Ionen.

Question 6

Welche Unterschiede bestehen zwischen Ionenkanälen und Ionenpumpen ?

Answer 6

• Kanal:
◦ passiv, entlang des elektrochemischen Gradienten
◦ wässrige Pore, Verdünnung der Membran
• Pumpen
◦ Energieverbrauch (ATP)
◦ entgegen elektrischen bzw. chemischen Gradienten

Question 7

Wie entsteht die Selektivität von Ionenkanälen für An- oder Kationen ?

Answer 7

• Porengröße
• AS-Reste, die Abgabe der Hydrathülle (Desolvatation) erleichtern
• Richtung der Wassermoleküle → Ladung der AS-Reste

Question 8

Welche Größen müssen bekannt sein, um das Ruhepotential einer typischen Nervenzelle in guter Näherung zu berechnen ?

Answer 8

• Permeabilität
• Konzentration intra- und extrazellulär der Ionen
• wichtig: Na+, K+, AS-Anionen, Cl-

Question 9

Die Zeitkonstante einer Nervenzelle wirkt sich auf die ‚zeitlichen Summation’ im Dendriten dieser Nervenzelle aus. Erläutern Sie diesen Zusammenhang an 2 Neuronen mit gleichem präsynaptischem Eingang aber unterschiedlich großen Zeitkonstanten.

Answer 9

• je größer die Zeitkonstante, desto länger dauert das Aktionspotential
• T= lang → zeitliche Summation findet statt, neue APs vergrößern PSP
• T=kurz → einzelne, getrennte PSPs

Question 10

Was versteht man unter Zeit- und Längskonstante ?

Answer 10

• T beschreibt zeitliche Änderung eines AP (t(63%))

* Längskonstante: Abfall des APs in Abhängigkeit von der Entfernung

Question 11

Von welchen Größen hängt die Längskonstante ab ?

Answer 11

• Durchmesser
• Isolation (Anzahl der Ionenkanäle)
• → Myelinisierung
• (Quer- und Längswiderstand)

Question 12

Erläutern Sie den Verlauf eines Aktionspotenzials mit Hilfe der Gleichgewichtspotenziale für Na+ und K+!

Answer 12

• Depolarisation über Schwellenwert hinaus → Öffnung der spannungsabh. Na+-Kanäle
• Na+-Einstrom → schnelle Depolarisation
• Overschoot
• → Umschlagen des Potenzials durch Öffnen der spannungsabh. K+-Kanäle → K+-
Ausstrom
• → Hyperpolarisation
• durch Na+/K+-ATPase langsame Repolarisierung

Question 13

Welche Möglichkeiten gibt es, um in Neuronen die Fortleitungsgeschwindigkeit von Aktionspotenzialen zu erhöhen ?

Answer 13

• Myelinisierung, saltator. Erregungsleitung an Ranvier’schen Schnürringen
• Riesenaxone: Längskonstante λ↑ durch Erweiterung des Axons (Durchmesser)

Question 14

Wie unterschiedet sich die Kinetik des spannungsabhängigen Na+-Kanals von der eines spannungsabhängigen K+-Kanals?

Answer 14

• Na+: zu, auf, inaktiv
   ◦ Spannungssensoren pos. gel.
   ◦ Öffnet bei Depolarisationsschwelle + 20 mV ◦ TTX Blockade
   ◦ 1 Peptidkette
• K+
   ◦ TEA (Tetraethylammoniumion) ◦ 4 Peptidketten
   ◦ ähnlich gebaut
   ◦ Öffnet bei vollst. Depolaris.

Question 15

Welche der folgenden Aussagen treffen für das typische Aktionspotenzial einer Nervenzelle zu ?

Answer 15

◦ TTX (Tetrodoxin) blockiert den spannungsabhängigen Na+-Kanal
• Die Spitze des Aktionspotenzials liegt nahe an dem Gleichgewichtpotenzial für K+
• Je größer die Längskonstante einer Nervenzelle, desto größer die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Aktionspotenzials
• Die Geschwindigkeit der Repolarisation hängt von der Na+/K+-Pumpe ab
• Die Nernst’sche Gleichung beschreibt das Ruhepotenzial vor dem Aktionspotenzial

Question 16

Was versteht man unter der Refraktärzeit eines Aktionspotenzials, wodurch wird sie bestimmt und welche Konsequenzen hat sie ?

Answer 16

• Die Refraktärzeit ist die Zeit, die mindestens zwischen 2 AP vergehen muss
• sie beinhaltet: Repolarisation
• inaktivierung Na+-Kanäle, Reaktivierung
• Der spannungsabhängige Na+ -Kanal geht nach der Öffnung kurzzeitig (ca. 0,5 ms) in einen
inaktivierbaren und geschlossenen Zustand über (absolute Refraktärzeit), währenddessen keine Aktionspotentiale ausgelöst werden können. Die Refraktärzeit bestimmt die maximale Frequenz von Aktionspotentialen (ca. 500 - 1000 Hz).
• Während der relativen Refraktärzeit können zwar Aktionspotentiale ausgelöst werden, aber die Schwelle ist erhöht.
• 2. Die Refraktärphase bestimmt auch die Fortleitungsrichtung von Aktionspotentialen, da in dem refraktärem Membranabschnitt keine Aktionspotentiale ausgelöst werden können