Ruhe- und Aktionspotenzial: Grundlagen

Das Ruhepotenzial

• Es gibt einen kontinuierlichen Fluss von Na+ ins Zellinnere.
• Das Zellinnere wird dadurch positiver geladen.
• K+ strömt aus der Zelle aus, was den Ladungsausgleich verlangsamt.
• Wenn weiterhin Na+ ins Zellinnere strömt, kommt das negative Ruhepotenzial zum Erliegen.

Ablauf eines Aktionspotenzials

• Das Ruhepotenzial liegt bei -70mV, wobei immer offene K+-Kanäle vorhanden sind.
• Eine leichte Depolarisation führt dazu, dass die Schwellenspannung von -55mV überschritten wird.
• Die Depolarisation wird durch spannungsgesteuerte Na+-Kanäle verursacht, die sich kurzzeitig öffnen und Na+ einströmen lassen.
• Die Membranspannung steigt auf +40mV an, woraufhin sich die Na+-Kanäle automatisch schließen.
• Die Repolarisation erfolgt zeitversetzt durch spannungsgesteuerte K+-Kanäle, die sich öffnen und K+ aus dem Axon ausströmen lassen.
• Die Ladung wird negativer, bis es zur Hyperpolarisation von -90mV kommt.
• Die Na+/K+-Pumpe stellt die ursprüngliche Ionenverteilung wieder her, indem sie K+ in die Zelle und Na+ aus der Zelle transportiert.
• Dieser Prozess führt zurück zum Ruhepotenzial.

Erregungsweiterleitung an einer chemischen, erregenden Synapse

• Die Erregung (Depolarisation) erreicht das Endknöpfchen.
• Spannungsgesteuerte Ca2+-Kanäle öffnen sich, und Ca2+ strömt in die Präsynapse ein.
• Vesikel mit Transmitterstoffen verschmelzen unter dem Einfluss des SNARE-Komplexes mit der präsynaptischen Membran.
• Transmitterstoffe werden in den synaptischen Spalt abgegeben (Exocytose) und gelangen durch Diffusion zur postsynaptischen Membran.
• Der Transmitter bindet an transmittergesteuerte Na+-Kanäle an der postsynaptischen Membran.
• Die Kanäle öffnen sich, und Na+ strömt in die Postsynapse ein, was zu einer Depolarisation führt.

Codierung im Nervensystem

• Im Amplitudencode wird die Reizstärke durch die Amplitude der Depolarisation codiert.
• Im Frequenzcode wird die Reizstärke durch die Frequenz der Aktionspotenziale codiert.
• Die Reizdauer wird im Amplitudencode durch die Dauer der Depolarisation codiert.
• Die Reizdauer wird im Frequenzcode durch den Zeitraum codiert, in dem Aktionspotenziale ausgelöst werden.

Nicht-myelinisierte Axone

• Axone sind marklos
• Sie kommen in Wirbellosen vor.
• Ihre Leitungsgeschwindigkeit beträgt etwa 7 bis 20 m/s.
• Die Erregungsleitung erfolgt kontinuierlich, wobei jede Membranstelle überschwellig depolarisiert wird.
• Die Vorteile sind eine Erregungsweiterleitung auch durch dickere Axone und ein schwach abnehmendes elektrisches Feld sowie eine Beschleunigung.

Myelinisierte Axone

• Axone sind von Gliazellen mit lipidreicher Membran (Myelin) umwickelt, was eine elektrische Isolation bewirkt.
• Schnürringe unterbrechen die Myelinschicht und enthalten Natrium-Kanal-Ansammlungen.
• Ihre Leitungsgeschwindigkeit beträgt etwa 25 bis 100 m/s.
• Die Erregungsleitung erfolgt saltatorisch, wobei das Aktionspotenzial von einem Schnürring zum nächsten springt.
• Gegenüber nicht myelinisierten Axonen werden weniger Aktionspotenziale benötigt, da größere Strecken überbrückt werden und es findet eine Energieeinsparung statt.

Verrechnung an Synapsen

• Erregendes postsynaptisches Potential (EPSP):
• Transmitter öffnen Natrium-Ionenkanäle.
• Das Membranpotenzial steigt.
• Es kommt zur Depolarisation.
• Inhibitorisches postsynaptisches Potential (IPSP):
• Transmitter öffnen Chlorid-Ionenkanäle in der postsynaptischen Membran.
• Das Membranpotenzial sinkt.
• Es kommt zur Hyperpolarisation.
• Räumliche Summation:
  • Wenn genügend Synapsen gleichzeitig an verschiedenen Dendriten ein EPSP erzeugen, summieren sich die Membranpotentiale zu einer überschwelligen Depolarisation am Axonhügel.
• Zeitliche Summation:
  • An einer Synapse kommen schnell viele Aktionspotentiale an.
  • Eine hohe Transmitterkonzentration im synaptischen Spalt entsteht, was zu einem hohen EPSP führt.
  • Wenn trotz Abschwächung über das Soma die Depolarisation stark genug ist, kommt es zu einem Aktionspotential.

Transduktion an den Stäbchen

• Stäbchen bei Beleuchtung:
  • Natriumkanäle sind geschlossen.
  • Das Membranpotential sinkt auf -70mV.
  • G-Proteine werden an der Synapse aktiviert.
  • Es findet keine Ausschüttung von hemmenden Transmittern mehr statt.
  • Ein Rezeptorpotential wird gebildet.
• Molekulare Ebene:
  • Rhodopsin absorbiert Licht.
  • All-trans-Retinal entsteht.
  • Rhodopsin aktiviert 3.000 G-Proteine.
  • Transducin aktiviert Phosphodiesterase (PDE).
  • cGMP wird von PDE abgebaut.
  • Weniger Ionenkanäle sind geöffnet.
  • Das Membranpotential sinkt.
• Second-Messenger-Prinzip:
  • Ein Botenstoff aktiviert einen zweiten Botenstoff.
  • Das Signal wird verstärkt weitergegeben.
  • Beispielsweise aktiviert ein Rhodopsinmolekül 3.000 G-Proteine.