Ionen als Botenstoffe Flashcards
elektromotorische Triebkraft
Potentialdifferenz ΔE = Em - Erev = elektromotorische Triebkraft
- Erev: Umkehrpotential: Das Umkehrpotenzial eines Ionenkanals ist für diesen charakteristisch und hängt von seinen Selektivitätseigenschaften ab, d.h. für welches Ion oder welche Ionen er permeabel ist. Für Ionenkanäle, die nur für ein Ion selektiv permeabel sind, ist das Umkehrpotenzial identisch mit dem Nernstpotenzial des betreffenden Ions
- Em: Membranpotential: Das Membranpotential beziffert im Prinzip das Verhältniss zwischen den innen und außen liegenden Ladungen
- das Umkehrpotential entspricht dem Membranpotential , wo sich die Stromrichtung umkehrt
- Em > Erev –> Kationen strömen aus der Zelle heraus (Hyperpolarisation) (positiver Stromfluss)
- Em < Erev –> Kationen strömen in die Zelle hinein (Depolarisation)
- Em = Erev –> Es kommt zu keinem Nettostrom und keine Änderung des Membranpotentials
Leitwert
ist eine Konsequenz der Permeabilität für geladenen Stoffe (Ionen) über die Membran
hängt von der Permeabilität, der Wertigkeit
der Ionen und den absoluten Ionenkonzentrationen ab
Ohmsches Gesetz für Transmembranströme durch Ionenkanäle: IKanal = gKanal * (Em - Erev)
g= Leitwert -> g= I/ΔE = 1/R
[Leitfähigkeit und Permeabilität sind also, wenn die anderen Faktoren konstant bleiben, zueinander proportional. Dies ist auch logisch, denn die Permeabilität gibt an, wie gut ein Stoff durch eine Membran hindurchdringen kann und die Leitfähigkeit, wie gut Ladungen durch eine Membran gehen können]
Analoges Signal
- Signal, das an den Dendriten ankommt (postsynaptisch)
- Wird erst am Axon bzw. Axonhügel in ein Aktionspotenzial umgewandelt bei nicht-myelinisierten Nervenzellen
- ist graduell
- an myelinisierten Nervenzellen ensteht AP nur an den Ranvier´schen Schnürringen, an den myelinisierten Teilen wird es als analoges Signal weitergeleitet
- Deshalb immer abwechselnd AS - AP - AS - AP…
Aktionspotential
- ist ein digitales (nur ja oder nein möglich => Alles-oder-Nichts-Prinzip)
- Es gibt keine starken oder schwachen AP (im Gegensatz zum analogen Signal)
- Die Signalstärke (oft in Abhängigkeit einer Reizstärke) wird in der Häufigkeit des Auftretens von APen (also ihrer Frequenz) wiedergegeben
- Erst am Axon bzw. Axonhügel, da erst hier Na+ und K+ Ionenkanäle vorhanden sind
Funktionen der Inaktivierung spannungsgesteuerter Natriumkanäle
- Begrenzung der Depolarisation während des Aktionspotenzials
- Refraktärphase nach dem Aktionspotenzial, Verhinderung
- der Signalverschmelzung und Festlegung maximalen Aktionspotenzialfrequenz
- Festlegung der Ausbreitungsrichtung
- Regulation der Erregbarkeit (steady-state Inaktivierung)=durch sehr langsame Ladungsänderung kommt es nicht zu einem Öffnen des Kanals, sondern direkt zu einer Inaktivierung
spannungsgesteuerter Natriumskanal
Inaktivierung des spannungsgesteuerten Natriumkanals beschreibt das Schließen des Kanals in Gegenwart des Spannungspulses
- Natriumkanal hat zwei “Kanaldeckel”, der nach unten gerichtet ist stets geöffnet, der nach oben stets geschlossen
- Bei Spannungspuls öffnet sich der obere “Deckel” schnell und der Kanal steht offen =>Na+-Ionen können hindurch (Kanals ist nun aktiviert)
- Erreicht der Kanal ein bestimmtes Niveau => schließt sich der untere “Deckel” (dies geschieht nicht sehr schnell) => Es können nun keine Ionen mehr hindurch
- Der Kanal ist nun inaktiviert und kann bis zur Wiederherstellung des Ursprungszustandes nicht mehr aktiviert werden
Calciumtransport in Herzmuskelzelle
- Ca2+-Einstrom in Zelle über spannungsabhängige L-Typ Ca2+-Kanäle (Dihydropyridin-Typ)
- Ca2+-Freisetzung aus dem SR über Ryanodinrezeptor-Kanäle (ligand (Ca2+)-abhängig)
- Ca2+-Bindung an Troponin C -> Muskelkontraktion
- Ca2+-Rücktransport in den SR durch die SR Ca2+-ATPase (SERCA) sowie nach extrazellulär durch den Na+/Ca2+-Antiporter (sekundär-aktiver Transport durch Na+-Gradienten durch die Na+/K+-ATPase)
Ca2+ als intrazellulärer Botenstoff in Herzmuskelzellen
Reizung der Muskelfaser
Membranerregung (AP) -> elektromechanische Kopplung
- > Erregungsleitung im T-System (Zellmembran) -> Ca2+-Einstrom über spannungsabhängige Ca2+-Kanäle (L-typ) -> Ca2+-freisetzung aus dem L-System (Sarkoplasmatische Retikulum)
- > Wirkung auf Myofibrillen (Troponin/Tropomyosin) -> Kontraktion Myofibrillen
Troponin
- globuläres Protein
- bilden zusammen mit Tropomyosin, Aktin und Myosin die kontraktile Enheit der Muskelzellen
- nach jeweils 7 Aktinmolekülen folgen 3 troponinpeptide
3 Arten:
- Troponin I: starke Affinität zu Aktin
- Troponin T: für die Bindung zu Tropomyosin verantwortlich
- Troponin C: Bindung zu Ca2+
im unerregten Zustand des Muskels liegen die Tropomyosinfäden auf den Bindungsstellen der Aktinfilamente für das Myosin -> durch eine Erregung wird Ca2+ frei -> bindet an Troponin-Komplex -> Tropomyosin wird in die Rinnen der Aktinfilamente gezogen und gibt die Bindungsstellen frei -> Muskel kann kontrahieren
Umkerhpotentiale von Ionenkanälen
- Das Umkehrpotenzial (Erev) eines Ionenkanals ist für diesen charakteristisch und hängt von seinen Selektivitätseigenschaften ab, d.h. für welches Ion oder welche Ionen er permeabel ist
- Ist das Membranpotenzial Em verschieden vom Umkehrpotenzial, fließt ein Strom durch den geöffneten Ionenkanal. Größe und Richtung des Stroms hängen von der Potenzialdifferenz ∆E = Em–Erev = elektromotorische Triebkraft ab
- bei selektiven Ionenkanälen = Nernstpotential
- bei nicht.selektiven Anionenkanälen = in die Tabelle schauen
- bei nicht-selektiven Kationenkanälen = 0 mV(oder in die Tabelle schauen)
- E K+ = -90 mV
- ENa+ = 60 mV
- ECa2+ = 120 mV
- ECl-= -80 mV /-40 mV
elektrischer Leitwert G vs Permeabilität
- elektrische geladene teilchen vs allgemeiner Stofftransport
- I=G*(UM-Urev); Q/t vs Mol/(s*m2) = P * Δc; P ist abhängig von A/d*K; n/t
- Einheit: Siemens (S) vs Geschwindigkeit (m/s)
Ionenkanäle [Klassifikationen]
nach Aktivierungsmechanismen:
- konstitutiv-offen (K+, Na+)
- spannungsgesteuert (K+, Na+, Ca2+, nicht-selektive Kationenkanäle)
- mechanischgesteuert (nicht-selektive Kationenkanäle)
- ligandengesteuert (Ca2+, GABAA, Acetylcholin-, Glyzin-, Glutamat-Rezeptor)
- metabolitgesteuert
- thermischgesteuert (nicht-selektive Kationenkanäle)
nach Selektivität:
- selektive Kanäle: für Cl-, Na+, K+, Ca2+,…
- nicht-selektive Kationenkanäle: Acetylcholin-, Glutamatrezeptor, …
- nicht-selektive Anionenkanäle: GABAA-Rezeptor (für Cl- und ein wenig für Hydrogencarbonat)
nach Umkehrpotentialen
K+-Kanal
- besteht aus 4 gleichen Untereinheiten
- membrangebunden
- haben einen 0,3nm Durchmesser an der engsten Stelle (K+= 0,27nm)
- kein Durchlass für Na+ (0,19nm), da es eine Ladung auf kleinerer Fläche hat und so eine größere hydrathülle/mehr Schichten
- AS in engster Stelle sind genau auf Ladung/Form von K+ angepasst -> Resolvatationenergie > Desolvatationsenergie
- besitzt 4 Slots, Freies “Wechseln”zwischen Slots möglich allerdings kein zurück in das Catoplasma sondern nur in den Extrazellularraum, da dort eine geringere Konzentration vorliegt
Glukose-Transporter
- rein passiver Transport nur auf Grund des chemischen Gradienten. Glucose wird innerhalb der Zelle sofort zu Glucose-6-Phosphat umgewandelt
- niedriger Km= hohe Affinität
- GLUT1 bis GLUT5 sind Uniporter für Monosaccharide und vermitteln passiven Transport. In Erythrozyten, Gehirn-Gefäße, Placenta,
- Niere (S3) (Leber, Skelettmuskel, Fett)
- GLUT2: Basolateral(auch apikal). Transportiert auch Galaktose und Fruktose. In Leber, β-Zellen, Darm, Niere (S1)
- GLUT4: Vorrat in Membranvesikeln. Insulin bewirkt Einbau in die Zellmembran. Im Skelett- und Herzmuskel, Fett. Insulinabhängug
- GLUT5: kein Glukose-Transporter, sondern ein Fruktose-Transporter. Im Darm
SGLT
- Sodium-Glukose-Linked-Transporter
- Symporter
- Transport Glukose und natrium in die Zelle (Natrium mit und Glukose gegen das konzentrationsgefälle). Sekundärer Transport durch primäre Na+/K+-ATPase
- in Dünndarmmukosa
Na+/K+-ATPase
zwei “Deckel”
nach ATP-Bindung öffnet sich der untere Deckel und 3 Na+ strömt ein -> ADP wird abgespalten -> unterer (cytosolische seite) Deckel schließt sich und oberer (extrazelluläre Seite) öffnet sich -> die Na+ strömen aus und 2 K+ strömen ein -> die Phosphatgruppe spaltet sich ab und oberer Deckel schließt wieder -> ATP bindet -> unterer Deckel öffnet -> 2 K+ strömen aus und 3 Na+ ein -> …
die wichtigsten ATP-betriebene Pumpen [Substrat, Mechanismus, Vertreter]
Spannung
- Potenzialdifferenz
- Triebkraft für die Bewegung von Ladungsträgern -> Triebkraft für elektrischen strom
- Formelzeichen: U
- Einheit Volt
- U=R*I
- U=W/G
Strom
gerichtete Bewegung von teilchen/Ladungsträgern entlang eines Potentials (in einem Leiter)
Formelzeichen: I
Einheit Amper
I=U/R
I=G/t
Widerstand
durch die spezifische Materialkonstante bedingte Behinderung/Abschwächung des Stromflusses
Formelzeichen R
Einheit Ω (Ohm)
R=U/I
Leitwert
gibt an, wie gut ein Strom geleitet wird -> Kehrwert des Widerstandes
G=1/R
Formelzeichen G
Einheit S (Siemens)
Kapazität
Verhältnis aus der Ladung Q und der anregenden Spannung U
zB Fähigkeit eines Kondensators, Ladungen zu speichern
Formelzeichen C
Einheit Farad
C*U = Q -> Q= C/U
Ladung
Elektrizitätsmenge, grundlegende Größe in der Physik
positive oder negative Ladung eines teilchens
Formelzeichen C
Einheit Coulomb
mögliche Fehlerquellen der Messwerte der Chronaxomatrie und Neurographie
Aufgrund anatomischer Eigenschaften:
- Subjektive Wahrnehmung der Reize
- Unterschiedlicher Hautwiderstand und unterschiedliche Tiefenlokalisation
- Zu hohe oder zu niedrige Temperatur des betreffenden Körperteils
Aufgrund falscher Durchführung:
- Falsche Applikation der Messelektroden
- Applikationsstelle zu trocken (nicht genügend Elektrodencreme)
- Systematische Messgrenzen
Rheobase und Chronaxie
Rheobase:
- Minimale Stromstärke (in mA) eines Reizes, die eine Erregung auslöst = Schwellen-Stromintensität
Chronaxie:
- Minimale Reizdauer (in ms) bei doppelter Rheobasen-Stromstärke
antidhrom und orthodrom
antidhrom
bedeutet “gegen die physiologische Verlaufsrichtung einer anatomischen Struktur” - zum Beispiel gegen die normale Verlaufsrichtung eines afferenten Nerven also von distal nach proximal
- Vorteil: technisch einfach
- Nachteil: Muskelartefakte
orthodrom
bedeutet “in physiologische Verlaufsrichtung einer anatomischen Struktur” - zum Beispiel in der normalen Verlaufsrichtung eines afferenten Nerven von proximal nach distal
- Vorteil: weniger Artefakte
- Nachteil: Amplituden nicht verlässlich
sensible Neurographie [Prinzip, Parameter, Interpretation]
Stimulation eines Nerven gemischten oder sensiblen Nerven und Ableitung eines sensiblen Nervenaktionspotentials (SNAP) in ortho- oder antidromer Technik
Amplituden im Vergleich zu den MSAP (Muskelsummenaktionspotential) deutlich geringer (μV Bereich)
Parameter
Latenz
- Zeit vom Beginn des Reizes bis zum negativen Abgang des SNAP von der Grundlinie
Amplitude
- peak to peak (zwischen größter positiver und größter negativer Auslenkung)
sensible NLG
- Division der Strecke zwischen Reiz- und Ableitelektrode durch die Zeitspanne zwischen Reiz- und Potentialbeginn
Interpretation:
Vergleich mit Referenzwerten
SNAP (Amplitude)
- semiquantitatives Maß für die Zahl der erregten Nervenfasern
- Erniedrigung wenn: Verlust von Axonen (Neuropathien)
sensible Nervenleitgeschwindigkeit
- beschreibt die Leitungsgeschwindigkeit der am schnellsten leitenden Nervenfasern
- Verlangsamung vor allem bei demyelinisierenden Prozessen
sensible Neurographie [Fehlerquellen]
Temperatur
- pro °C Temperaturabnahme Abnahme der NLG um 1-2m/s bzw. Zunahme der Latenz um 0.2-0.4ms
- Ableitung bei mindestens 34°C
- Korrekturformel problematisch
Distanz
- mit zunehmender Distanz zwischen Stimulations- und Ableitort fast lineare Abnahme der SNAP-Amplitude (temporale Disper sion) (maximal 14cm)
Alter
- Abnahme der sensiblen NLG, Zunahme der dmL und F-Wellen mit zunehmendem Alter
neurographische Befundinterpretation [demyelinisierend vs. axonal]
Determinanten der Leitungsgeschwindigkeiten von Aktionspotentialen
τ =Membranzeitkonstante
λ=Membranlängskonstante
passive Ausbreitungsgeschwindigkeit: v ~λ/τ (m/s)
-> v ~ √ d
Membranzeitkonstante τ
τ ist die Zeit, bei der das Membranpotenzial am selben Ort auf 63% des Maximalwertes angestiegen bzw. auf 37% des Ausgangswertes abgefallen ist
Depolarisation: E (t) = Emax * (1-e–t/τ)
Repolarisation: E (t) = Emax * e–t/τ
Membranzeitkonstante: τ= Rm * Cm
Rm = Membranwiderstand
Cm = Membrankapazität
Membranlängskonstante λ
λ ist der Abstand, bei dem das Membranpotenzial auf 37% des Ausgangswertes abgefallen ist
Abnahme des Potenzials
in der Entfernung x:
E (x) = E0 * e–x/λ
λ= √(Rm/Ri)
Rm=Transmembranwiderstand
Ri = Längswiderstand
λ~√d
d = Axondurchmesser
Arten von peripheren Axonen
myelinisierte
nicht myelinisierte
nicht myelinisierte Axone
sind Orte der kontinuierlichen Erregungsleitung. Hier bewirkt eine Depolarisation direkt die nächste.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist proportional zu d (v ~ √d), verhält sich also genauso wie die elektrotonische Signalausbreitung
jedes sich ausbreitende AKtionspotenzial muss jeden noch nicht erregeten Membranabschnitt zunächst passiv bis zur Schwelle depolarisieren
Vorteil : geringer Raum- und Materialbedarf
myelinisierte Axone
- Myelinisierung der Axone durch spezialisierte Gliazellen
- Im ZNS durch Oligodendrozyten
- Im PNS durch Schwannzellen
- Dicke einer einfachen biologischen Membran: 8-10nm
- Dicke der Myelinisierung: bis zu 8μm
- Die Ausbreitungsgeschwindigkeit: in myelinisierten Axonen ist proportional zu d
- Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in myelinisierten Axonen nimmt mit der Myelinisierungsdicke zu, weil die Membrankapazität in den Internodien abnimmt. Dicke Axone haben eine größere Myelinisierungsdicke
- saltatorischen Erregungsausbreitung
- Aktionspotentiale finden nur an den Ranvier’schen Schnürringen statt
- unter den Myelinscheiden, breitet sich die Erregung nicht durch Teilchenbewegung, sondern durch ein elektrisches Feld aus (passive Potenzialausbreitung im Internodium) -> deutlich höhere Leitungsgeschwindigkeit
Vorteile:
- Hoher Abdichtwiderstand in den Internodien -> λ bis zu 4mm, d.h. lange Internodien möglich bzw. wenig Leitungszeit und Energieverlust durch geringe Zahl an Nodien pro Weg
- Großer Abstand zwischen intra und extrazellulärer Ladung in den Internodien -> kleine Kapazität ,d.h. sehr kleines τ; da v ~λ/τ ist, es werden hohe Leitungsgeschwindigkeiten erreicht
- Insgesamt ist der akute Energieverbrauch (ATP) gering
Nachteile:
- Hoher Raum- und Materialbedarf
Verlauf Potentialausbreitung im myelinisierten Axon
- Aktive Aktionspotenzialgenerierung am Schnürring (langsam) Rm niedrig, Cm hoch
- Passive Potenzialausbreitung
- im Internodium (schnell) Rm hoch, Cm niedrig
- Mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit
- v =Δs /∆t
