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Zellbiologie - Ruhemembranpotentiale

Zellbiologie - Ruhemembranpotentiale


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Warum sagen wir, dass es eine negative Gesamtladung auf der intrazellulären Seite der Plasmamembran im Ruhezustand und eine insgesamt positive Ladung auf der extrazellulären Seite gibt, wenn sowohl Kalium als auch Natrium positiv geladene Ionen sind und sie auf beiden Seiten in relativ gleichen Mengen vorhanden sind? ? Es scheint mir, dass beide Seiten positiv geladen sein sollten, und ich komme nicht damit klar.


Das Ruhepotential der Membran ist die Spannung, bei der kein Nettofluss von Ionen über die Membran.

Jedes Ion neigt dazu, seinen Konzentrationsgradienten hinunterzufließen (dies ist nur ein Grundprinzip der Physik/Chemie). Ohne Berücksichtigung der Ladung neigt Kalium für eine typische Zelle dazu, auszufließen, Natrium neigt dazu, einzufließen, und andere Ionen verhalten sich ebenfalls entsprechend ihrem Konzentrationsgradienten.

Der andere entscheidende Teil der Gleichung ist der relative Durchlässigkeit der Membran zu jedem Ion. Dies ist hauptsächlich auf das Vorhandensein von Ionenkanälen zurückzuführen. Im Ruhezustand hat eine typische Zelle eine höhere Durchlässigkeit für Kalium als für Natrium.

Das heißt, wenn die treibende Kraft für Natrium und Kalium gleich ist (sie ist bei 0 mV nicht identisch, aber ziemlich nahe), bewegt sich mehr Kalium als Natrium.

Wenn die Definition des Ruhepotentials das Potential ist, bei dem der Nettoladungsfluss Null ist und nur Natrium und Kalium berücksichtigt werden, dann muss Ruhe sein, wo das einströmende Natrium gleich dem ausströmenden Kalium ist. Diese Situation tritt ein, wenn das Innere der Zelle im Vergleich zum Äußeren negativ geladen ist: Die Membranspannung „hält“ Kalium „ein und „zieht“ etwas Natrium „ein“, sodass ihre Ströme trotz der höheren Durchlässigkeit für Kalium gleich und entgegengesetzt sind.

Beachten Sie, dass die Spannungen, über die wir in Neuronen sprechen, in der Größenordnung von 10 mV sehr klein sind und die elektrischen Kräfte sehr stark sind. Die Konzentrationen von positiven und negativen Ionen sind auf beiden Seiten der Membran nahezu identisch: Nur wenige Ionen müssen sich tatsächlich bewegen, um eine (biologisch) große Membranspannung zu erzeugen. Was eigentlich wichtig ist, ist die Durchlässigkeiten: das macht Aktionspotentiale und andere Formen der neuronalen Signalübertragung möglich.


Labor 2 - Membranruhepotential

In diesen Übungen modellieren Sie die Erzeugung von Membranpotentialen in lebenden Zellen, indem Sie eine künstliche „Zelle“ mit einer semipermeablen Membran erzeugen. Mit dieser Modellzelle können Sie die Konzentration mehrerer Ionen im Inneren steuern und „außerhalb“ der Zelle und messen die resultierenden Membranpotentiale. Die Ergebnisse dieser Experimente können dann verwendet werden, um die relative Permeabilität der Membran für verschiedene Ionen sowie die Membrankapazität zu bestimmen.


Tissue Engineering der Niere

Fruchtwasserstammzellen

AFSCs sind eine weitere potenzielle Zellquelle für die Behandlung von Nierenversagen. Kürzlich wurden humane AFSCs (hAFSCs) aus Fruchtwasser isoliert und in vitro kultiviert [99]. Isolierte AFSCs behielten ein hohes Selbsterneuerungspotential, Ratten mit hoher Proliferation über 250 Populationsverdoppelung und Multidifferenzierungsfähigkeit, mit nicht berichteter Teratombildung in vivo. Von Bedeutung war hier der Nachweis der Differenzierungsfähigkeit von AFSCs in renalspezifische Abstammungslinien [77].

Jüngste präklinische Studien mit AFSCs haben ihre möglichen therapeutischen Wirkungen bei der Behandlung von Nierenerkrankungen gezeigt [58–61] . Hauseret al. berichteten, dass die intravenöse Infusion von hAFSCs eine schnellere Erholung der Nierenfunktion in einem Modell mit akutem Nierenversagen im Vergleich zur Behandlung mit BM-MSCs zeigte [58] . In einer anderen Studie erzielte die Präkonditionierung von hAFSCs mit neurotrophen Faktoren verbesserte Ergebnisse der Nierenfunktion im Vergleich zur Verwendung von hAFSCs ohne Präkonditionierung in einem AKI-Modell [59] . Darüber hinaus verhinderte die Injektion von AFSCs die Nierenfibrose und erhielt die Nierenfunktion in einem CKD-Modell der Maus [60] und einem Nierentransplantationsmodell beim Schwein [61] .


Ruhemembranpotential

Das Ruhemembranpotential eines Neurons ist das elektrische Potential oder die Spannung an der Plasmamembran einer nicht stimulierten Nervenzelle [1] . Es tritt auf, wenn der Netto-Ionenfluss durch die Plasmamembran gleich Null ist. Beim Menschen soll dieser etwa -70 mV betragen [2] . Das bedeutet, dass das Innere der Zelle im Vergleich zum Äußeren negativ geladen ist.

Ruhemembranpotentiale werden durch zwei verschiedene Arten von Ionenkanälen aufrechterhalten: die Natrium-Kalium-Pumpe und die Natrium- und Kalium-Leckkanäle. Erstens gibt es eine höhere Konzentration der Kaliumionen im Inneren der Zelle im Vergleich zur Außenseite der Zelle. Dadurch entsteht eine ungleiche Verteilung von Kaliumionen, genauer gesagt ein Kaliumionengradient. Daher diffundieren die Kaliumionen dem Konzentrationsgradienten folgend über ihre undichten Kanäle vom Inneren der Zelle nach außerhalb der Zelle. Wenn die Kaliumionen die Zelle verlassen, erhöht sich die Anzahl der in der Zelle eingeschlossenen Anionen, wodurch die negativen Ladungen und die positiven Ladungen außerhalb der Zelle angesammelt werden. Dadurch werden mehr positiv geladene Ionen aus der Zelle entfernt als in sie eintreten, wodurch die innere Umgebung der Zelle nach außen vergleichsweise negativ wird [3] .

Die Natrium-Kalium-Pumpe befördert pro zwei Kaliumionen, die sie kontinuierlich in die Zelle befördert, drei Natriumionen aus der Zelle. Es behält daher den großen Kaliumionengradienten über die Membran bei, der wiederum die Grundlage für das Ruhemembranpotential lieferte. Die negativ geladenen Makromoleküle oder Ionen, meist Chloridionen, können die Plasmamembran nicht passieren, da sie zu groß sind, um über die Chloridkanäle in die Zelle hinein oder aus ihr heraus bewegt zu werden. Dies liegt daran, dass die Kanäle zu groß und sperrig sind, sodass Anionen in der Zelle gefangen bleiben [4] .

Das Ruhemembranpotential kann gemessen werden, indem eine Mikroelektrode innerhalb der Zelle und eine andere außerhalb der Zelle platziert wird. Die Werte werden in Millivolt (mV) generiert. Die Verhältnisse der negativen Ladungen und positiven Ladungen zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zellen werden verglichen [5] .


Membranselektivität gegenüber Ionendiffusion

Ohne SEO durch erneutes Aufrufen von Material an anderer Stelle auf dieser Site zu töten, genügt es zu sagen, dass die Lipiddoppelschicht der Zellmembran eine unpolare Barriere ist und daher den Austausch polarer Substanzen zwischen der intrazellulären und extrazellulären Umgebung ziemlich effektiv verhindert. Die Zellmembran behält daher ihre Permeabilität für Ionen durch Protein-erleichterte Diffusion bei, d. h. Ionenkanäle ermöglichen den Transport von Ionenspezies durch die Membran.

Dies ist das zweitwichtigste zu absorbierende Konzept: Die Zellmembran ist keine vollständig ionenundurchlässige Struktur, und es findet eine kontrollierte Bewegung von Ionen durch die Membran statt. Obwohl es Natriumkanäle gibt, sind es nur wenige - und so sind typische tierische Zellen aufgrund des Vorhandenseins von "Leckkanälen" hauptsächlich für Kaliumionen durchlässig. Diese Kaliumkanäle sind jederzeit und bei allen Membranpotentialspannungen offen (d. h. es handelt sich nicht um spannungsgesteuerte Kanäle) und sie haben keine natürlichen Gating-Liganden und werden auch nicht von einem der herkömmlichen Kaliumkanalblocker beeinflusst. Lesage et al. (2000) beschreiben sie ausführlicher (zusammenfassend handelt es sich um dimere Zwei-Poren-Domänen-Kanalproteine, auch bekannt als K2P Kanäle, von denen derzeit etwa 15 Familien identifiziert werden).

Somit ermöglicht das Vorhandensein dieser Kanäle ein kontinuierliches langsames Austreten von Kalium in die extrazelluläre Flüssigkeit entlang des chemischen Konzentrationsgradienten.


Kern

Was ist ein Membranpotential?

Ein Membranpotential ist die Größe einer elektrischen Ladung über einer Plasmamembran, ausgedrückt als das Potential innerhalb der Zelle relativ zur extrazellulären Lösung. Es wird in Millivolt (mV) gemessen.

Alle Zellen haben ein Membranpotential, obwohl das Ruhemembranpotential und die Fähigkeit, das Membranpotential (Erregbarkeit) zu ändern, zwischen verschiedenen Zelltypen variiert. Membranpotentiale bilden die Grundlage für die Zellsignalisierung in allen Zellen.

Tabelle - Die Ruhemembranpotentiale verschiedener Zelltypen

SimpleMed-Original von Joshua Bray

Die Etablierung eines Membranpotentials erfordert zwei wesentliche Kriterien:

  1. Ionenkonzentrationsgradienten (führt zu einer asymmetrischen Ionenverteilung)
  2. Gezielte Durchlässigkeit auf bestimmte Ionen (über Kanäle) – Hauptsächlich K + , Na + und Cl -

Die Bewegung von Ionen führt zu einer Ladungstrennung über die Membran: Dies ist das Membranpotential.

Die Na + /K + Pumpe ist leicht elektrogen und trägt ungefähr -5 mV zum Ruhemembranpotential bei. Es ist jedoch indirekt für das gesamte Membranpotential verantwortlich, wenn es sich aufbaut und behält die Ionengradienten bei zur Erzeugung des Membranpotentials benötigt.

Diagramm - Die für das Membranpotential verantwortlichen Ionenkonzentrationsgradienten

Creative-Commons-Quelle von smonsays [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

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Das Ruhemembranpotential

Es gibt zwei Gradienten, die die Nettobewegung von Ionen bestimmen:

  1. Chemisch gradient – ​​Entspricht dem Konzentrationsgradienten.
  2. Elektrisch Gradient – ​​Die Tendenz positiver Ionen, sich in Bereiche mit negativer Ladung zu bewegen, und negativer Ionen, sich in Bereiche mit positiver Ladung zu bewegen.

Nehmen Sie an, dass die Membran nur für ein Ion selektiv permeabel ist – zum Beispiel K + . Wenn die Konzentration von K + innerhalb der Zelle größer ist als außerhalb der Zelle, beginnt K + sich aus der Zelle zu bewegen. Wenn K + die Zelle jedoch verlässt, wird die Zelle weniger positiv und die extrazelluläre Lösung wird positiver – dies bewirkt, dass der entgegengesetzte elektrische Gradient ansteigt. Wenn die chemischen und elektrischen Gradienten werden gleich und gegensätzlich, sie heben sich gegenseitig auf, so dass es keine Nettobewegung von K + . Jedoch a negative Ladung über die Membran bleibt: das Ruhemembranpotential.

Das Membranpotential, wenn die Membran nur für eine Ionenart selektiv permeabel ist, wird als bezeichnet Gleichgewichtspotential (E) für dieses Ion. Wir können das Gleichgewichtspotential eines Ions berechnen, indem wir Nernst-Gleichung. Die Nernst-Gleichung für K + lautet wie folgt: Ek = RT/zF. ln([K + ]aus/ [K + ]in), wo R ist die Gaskonstante (8,314 J -1 K -1 mol -1 ), T ist Temperatur (K), z ist die Ladung des Ions, F ist die Faraday-Konstante (96500 C mol -1 ) und [K+]ein/aus sind die Konzentrationen von K + innerhalb bzw. außerhalb der Zelle.

Um die Berechnungen zu vereinfachen, können wir den Wert von RT/F (T = 37 o C) berechnen und den natürlichen log (ln) in log10 umrechnen. Das gibt uns: EK = 61/z. log10( [K + ]aus/[K + ]in).

Die Nernst-Gleichung kann für jedes Ion (sowohl positive als auch negative Ionen) verwendet werden.

Wenn eine Membran nur für K + selektiv permeabel ist, liegt ihr Membranpotential bei EK. In Wirklichkeit passiert dies jedoch nie, da echte Zellen sind durchlässig für andere Ionen auch.

Die Gleichgewichtspotentiale von K + , Na + und Cl - bei physiologischer Temperatur und Konzentration sind wie folgt:

Änderung des Membranpotentials

Das Membranpotential kann verändert werden durch Änderung der Permeabilität der Membran für verschiedene Ionen – d.h. Öffnen und Schließen von Ionenkanälen.

Wenn die Membran für ein Ion durchlässiger wird, verschiebt sich das Membranpotential in Richtung des Gleichgewichtspotentials für dieses Ion.

Der Wert des Membranpotentials kann sich in zwei Richtungen ändern:

  • Depolarisation – Das Membranpotential wird weniger negativ
  • Hyperpolarisation – Das Membranpotential wird negativer

Öffnung Nein + oder Ca 2+ Kanäle führen zu Depolarisation, während öffnen K + oder Cl - Kanäle führen zu Hyperpolarisation.

Diagramm - Diagramm, das die Änderungen des Membranpotentials durch Änderung des Na + - und K + -Flusses zeigt

SimpleMed-Original von Joshua Bray

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Synaptische Übertragung

Eine Synapse ist eine Verbindung zwischen zwei erregbaren Zellen, in der ein chemischer Neurotransmitter ist von der befreit präsynaptische Zelle, diffundiert über die synaptischer Spalt und bindet an Rezeptoren auf der postsynaptische Membran. Dies ermöglicht die Umwandlung eines elektrischen Signals (Aktionspotential) in ein chemisches Signal (Neurotransmitter), das in der postsynaptischen Zelle ein neues elektrisches Signal erzeugt.

Die synaptische Übertragung kann als schnell oder langsam klassifiziert werden:

  • Schnelle Übertragung – Beinhaltet Ligand-gesteuerte Ionenkanäle (z. B. nikotinerge Acetylcholinrezeptoren), die sich als Reaktion auf die Bindung von Neurotransmittern öffnen.
  • Langsame Übertragung – Beinhaltet G-Protein gekoppelte Rezeptoren (z.B. muskarinische Acetylcholinrezeptoren), die über direkte und indirekte Signalwege Kanäle aktivieren.

Synapsen können auch erregend oder hemmend sein:

  • Erregende Synapsen Ursache Membran Depolarisation – Zu den Transmittern gehören Glutamat, Dopamin und Acetylcholin
  • Hemmende Synapsen Ursache Membran Hyperpolarisation – Sender beinhalten GABA und Glycin

Je stärker die postsynaptische Zelle depolarisiert wird, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie die Schwelle für die Erzeugung von Aktionspotentialen erreicht.

Diagramm - Diagramme, die die erregenden und hemmenden postsynaptischen Potenziale zeigen


Was Sie lernen werden:

Die Potentialdifferenz innerhalb einer Zelle entsteht durch eine geringe Ansammlung negativer Ionen im Inneren der Zelle (intrazelluläre Flüssigkeit) und eine gleichmäßige Ansammlung positiver Ionen an der äußeren Oberfläche der Zelle (extrazelluläre Flüssigkeit). Der Unterschied im Potenzial der intrazellulären und extrazellulären Flüssigkeit wird durch ein Voltammeter erfasst. Das Ruhemembranpotential der Neuronen reicht von -50mV bis -75mV. Das negative Vorzeichen zeigt an, dass die Zelle an der Innenfläche negativer ist als an der Außenfläche. Die Zellen, die einen solchen Unterschied im Membranpotential aufweisen, werden als polarisiert bezeichnet. Das Ruhemembranpotential in einer Zelle entsteht aus drei Hauptgründen. Sie sind -

Ungleiche Verteilung der Ionen in der intrazellulären und der extrazellulären Flüssigkeit (Cytosol).

Die meisten Anionen können die Zelle nicht verlassen.


1. Das Ruhepotential

Die Lipiddoppelschichtmembran, die ein Neuron umgibt, ist für geladene Moleküle oder Ionen undurchlässig. Um in das Neuron einzutreten oder es zu verlassen, müssen Ionen spezielle Proteine ​​passieren, die als Ionenkanäle bezeichnet werden, die die Membran durchspannen und die relativen Konzentrationen verschiedener Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle regulieren. Zellen können Energie verwenden, um bestimmte Ionen bevorzugt entweder innerhalb oder außerhalb der Membran zu bewegen, wodurch ein Unterschied in der Ionenladung über die Membran aufgebaut wird, wobei eine Seite relativ negativer und die andere Seite relativ positiver ist. Der Unterschied der Gesamtladung zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle wird als bezeichnet Membranpotential.

Das Membranpotential eines ruhenden Neurons ist negativ geladen: Das Innere einer Zelle ist ungefähr 70 Millivolt negativer als das Äußere (-70 mV, beachten Sie, dass diese Zahl je nach Neuronentyp und Spezies variiert). Diese Spannung wird als bezeichnet Ruhemembranpotential es wird durch Unterschiede in den Konzentrationen von Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle verursacht. Das Ruhepotential wird durch zwei Hauptprozesse aufgebaut und aufrechterhalten: einen ATP-betriebenen Ionenkanal, der als bezeichnet wird Natrium-Kalium-Pumpe, und ein passiver Ionenkanal namens Kaliumleckkanal.

Die Natrium-Kalium-Pumpe, auch Na + /K + ATPase genannt, transportiert Natrium aus einer Zelle heraus, während Kalium in die Zelle transportiert wird. Die Na + /K + -Pumpe ist eine wichtige Ionenpumpe, die in den Membranen vieler Zelltypen vorkommt. Diese Pumpen sind besonders häufig in Nervenzellen vorhanden, die ständig Natriumionen auspumpen und Kaliumionen anziehen, um einen elektrischen Gradienten über ihre Zellmembranen aufrechtzuerhalten. Ein elektrischer Gradient ist ein Unterschied der elektrischen Ladung in einem Raum. Bei Nervenzellen beispielsweise besteht der elektrische Gradient zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle, wobei das Innere gegenüber dem Äußeren negativ geladen ist (ca. -70 mV). Der negative elektrische Gradient wird aufrechterhalten, da jede Na + /K + -Pumpe für jedes verwendete ATP-Molekül drei Na + -Ionen aus der Zelle und zwei K + -Ionen in die Zelle befördert. Dieser Prozess ist für Nervenzellen so wichtig, dass er den Großteil ihres ATP-Verbrauchs ausmacht.

Angetrieben von ATP bewegt die Natrium-Kalium-Pumpe Natrium- und Kaliumionen in entgegengesetzte Richtungen, jeweils gegen ihren Konzentrationsgradienten. In einem einzigen Zyklus der Pumpe werden drei Natriumionen extrudiert und zwei Kaliumionen in die Zelle importiert. Bildnachweis: OpenStax Anatomie und Physiologie.

Neben der Natrium-Kalium-Pumpe besitzen Neuronen Kaliumleckkanäle und Natriumleckkanäle, die es den beiden Kationen ermöglichen, entlang ihres Konzentrationsgradienten zu diffundieren. Die Neuronen haben jedoch weit mehr Kalium-Leckage-Kanäle als Natrium-Leckage-Kanäle. Daher diffundiert Kalium viel schneller aus der Zelle heraus als Natrium eindringt. Da mehr Kationen die Zelle verlassen als eintreten, führt dies dazu, dass das Innere der Zelle relativ zum Äußeren der Zelle negativ geladen ist. Somit besteht die kombinierte Wirkung der Natrium-Kalium-Pumpe und der Kalium-Leckkanäle darin, dass das Innere der Zelle negativer ist als das Äußere der Zelle. Es sollte auch beachtet werden, dass Chloridionen (Cl – ) dazu neigen, sich außerhalb der Zelle anzusammeln, da sie von negativ geladenen Proteinen im Zytoplasma abgestoßen werden.

Das Ruhemembranpotential ergibt sich aus unterschiedlichen Konzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle.
Ionenkonzentration innerhalb und außerhalb von Neuronen
Ion Extrazelluläre Konzentration (mM) Intrazelluläre Konzentration (mM) Verhältnis außen/innen
Nein + 145 12 12
K+ 4 155 0.026
Kl – 120 4 30
Organische Anionen (A-) 100

Dieses Video beschreibt die Rolle der Natrium-/Kaliumpumpe und der Kalium-Leckkanäle bei der Einrichtung und Aufrechterhaltung des Membranruhepotentials:


26.2 Wie Neuronen kommunizieren

In diesem Abschnitt gehen Sie den folgenden Fragen nach:

  • Worauf beruht das Ruhemembranpotential?
  • Was sind die Stadien eines Aktionspotentials und wie werden Aktionspotentiale verbreitet?
  • Was sind die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen chemischen und elektrischen Synapsen?
  • Was ist Langzeitpotenzierung und Langzeitdepression und wie hängen beide mit der Übertragung von Impulsen über Synapsen zusammen?

Anschluss für AP ® Kurse

Das Neuron ist ein großartiges Beispiel für eine Struktur-Funktions-Beziehung auf zellulärer Ebene. Der Informationsfluss entlang eines Neurons erfolgt normalerweise von Dendriten zu Axonen und von Neuronen zu Neuronen oder von Neuronen zu einer Zelle eines Zielorgans. Wie andere eukaryotische Zellen bestehen Neuronen aus einer Zellmembran, einem Zellkern und Organellen, einschließlich Mitochondrien. Aktionspotentiale Impulse entlang von Neuronen ausbreiten. Wenn ein Axon ruht, wird die Membran als polarisiert bezeichnet, d. h. es gibt einen elektrochemischen Gradienten, wobei die Innenseite der Membran negativer geladen ist als die Außenseite. Wir haben die Bildung elektrochemischer Gradienten mit H + erforscht, als wir Photosynthese und Zellatmung untersuchten. Das Neuron verwendet jedoch Na + und K +, um einen Gradienten aufzubauen. Es ist auch wichtig, daran zu erinnern, dass Ionen nicht durch die Lipiddoppelschicht der Zellmembran diffundieren können und in diesem Fall Transportproteine ​​​​benutzen müssen, die Transportproteine ​​sind spannungsgesteuerte Na + - und K + -Kanäle.

Im Ruhezustand hält die Na + /K + -Pumpe, angetrieben von ATP, diesen Gradienten aufrecht, der als Ruhezustand bekannt ist Membranpotential. Als Reaktion auf einen Stimulus, z. B. ein Geruchsstoffmolekül, ändert sich das Membranpotential, und ein Aktionspotential wird entlang der Membran erzeugt, wenn sich die spannungsgesteuerten Na + - und K + -Kanäle nacheinander öffnen, wodurch die Membran depolarisiert wird. In Depolarisation, wird das Innere der Membran positiver als das Äußere, wenn Na + nach innen fließt. Eine Repolarisation tritt auf, wenn K + durch die Membran nach außen fließt. In myelinisierten Neuronen „springen“ Aktionspotentiale zwischen Lücken von nicht myelinisierten Axonen (Knoten von Ranvier), ein Phänomen, das als saltatorische Leitung bezeichnet wird.

Die Übertragung eines Nervenimpulses von einem Neuron zu einem anderen oder zu einem anderen Zelltyp wie einer Muskelzelle erfolgt über eine Synapse genannte Verbindung. Synaptische Vesikel Am Axon-Ende des präsynaptischen Neurons setzen chemische Botenstoffe, sogenannte Neurotransmitter, in die Junction-Neurotransmitter frei und binden dann an Rezeptoren, die in die Membran des postsynaptischen Neurons eingebettet sind. Neurotransmitter können entweder erregend (wie Acetylcholin oder Epinephrin) oder hemmend (wie Serotonin oder GABA) sein, da sie die Änderung eines Aktionspotentials im postsynaptischen Neuron entweder erhöhen oder verringern. Viele Medikamente, darunter sowohl Pharmazeutika als auch Missbrauchsdrogen, können Veränderungen in der synaptischen Übertragung bewirken, beispielsweise bindet Tetrahydrocannabinol (besser bekannt als THC) in Marihuana an einen natürlich vorkommenden Neurotransmitter, der für das Kurzzeitgedächtnis wichtig ist.

Die präsentierten Informationen und die hervorgehobenen Beispiele im Abschnitt unterstützen die Konzepte, die in Big Idea 3 des AP ® Biology Curriculum Framework skizziert sind. Die im Curriculum Framework aufgeführten AP ® -Lernziele bieten eine transparente Grundlage für den AP ® -Biologiekurs, eine forschungsbasierte Laborerfahrung, Unterrichtsaktivitäten und AP ® -Prüfungsfragen. Ein Lernziel verbindet erforderliche Inhalte mit einer oder mehreren der sieben wissenschaftlichen Praktiken.

Große Idee 3 Lebende Systeme speichern, rufen, übertragen und reagieren auf Informationen, die für Lebensprozesse unerlässlich sind.
Beständiges Verständnis 3.E Die Informationsübertragung führt zu Veränderungen innerhalb und zwischen biologischen Systemen.
Grundlegendes Wissen 3.E.2 Tiere haben Nervensysteme, die externe und interne Signale erkennen, Informationen übertragen und integrieren und Reaktionen erzeugen.
Wissenschaftliche Praxis 6.2 Der Student kann Erklärungen von Phänomenen aufbauen, die auf Beweisen basieren, die durch wissenschaftliche Praktiken gewonnen wurden.
Lernziel 3.43 Der Student ist in der Lage, basierend auf wissenschaftlichen Theorien und Modellen eine Erklärung zu konstruieren, wie Nervensysteme externe und interne Signale erkennen, Informationen übertragen und integrieren und Reaktionen erzeugen.
Grundlegendes Wissen 3.E.2 Tiere haben Nervensysteme, die externe und interne Signale erkennen, Informationen übertragen und integrieren und Reaktionen erzeugen.
Wissenschaftliche Praxis 1.2 Der Student kann Darstellungen und Modelle von natürlichen oder vom Menschen geschaffenen Phänomenen und Systemen in der Domäne beschreiben.
Lernziel 3.45 Der Student ist in der Lage zu beschreiben, wie Nervensysteme Informationen übermitteln.
Grundlegendes Wissen 3.E.2 Tiere haben Nervensysteme, die externe und interne Signale erkennen, Informationen übertragen und integrieren und Reaktionen erzeugen.
Wissenschaftliche Praxis 1.1 Der Student kann Darstellungen und Modelle von natürlichen oder vom Menschen geschaffenen Phänomenen und Systemen in der Domäne erstellen.
Lernziel 3.47 Der Student ist in der Lage, eine visuelle Darstellung komplexer Nervensysteme zu erstellen, um zu beschreiben/erklären, wie diese Systeme externe und interne Signale erkennen, Informationen übertragen und integrieren und Reaktionen erzeugen.

Alle Funktionen des Nervensystems – von einem einfachen motorischen Reflex bis hin zu fortgeschritteneren Funktionen wie dem Treffen eines Gedächtnisses oder einer Entscheidung – erfordern, dass Neuronen miteinander kommunizieren. Während Menschen Wörter und Körpersprache verwenden, um zu kommunizieren, verwenden Neuronen elektrische und chemische Signale. Genau wie eine Person in einem Komitee empfängt und synthetisiert ein Neuron normalerweise Nachrichten von mehreren anderen Neuronen, bevor es „die Entscheidung trifft“, die Nachricht an andere Neuronen weiterzuleiten.

Nervenimpulsübertragung innerhalb eines Neurons

Damit das Nervensystem funktioniert, müssen Neuronen in der Lage sein, Signale zu senden und zu empfangen. Diese Signale sind möglich, weil jedes Neuron eine geladene Zellmembran hat (ein Spannungsunterschied zwischen innen und außen), und die Ladung dieser Membran kann sich als Reaktion auf Neurotransmittermoleküle, die von anderen Neuronen und Umweltreizen freigesetzt werden, ändern. Um zu verstehen, wie Neuronen kommunizieren, muss man zuerst die Basis der Grundlinien- oder „ruhenden“ Membranladung verstehen.

Neuronale geladene Membranen

Die Lipiddoppelschichtmembran, die ein Neuron umgibt, ist für geladene Moleküle oder Ionen undurchlässig. Um das Neuron zu betreten oder zu verlassen, müssen Ionen spezielle Proteine ​​passieren, die als Ionenkanäle bezeichnet werden und die Membran durchspannen. Ionenkanäle haben unterschiedliche Konfigurationen: offen, geschlossen und inaktiv, wie in Abbildung 26.9 dargestellt. Einige Ionenkanäle müssen aktiviert werden, damit sie sich öffnen und Ionen in die Zelle ein- oder austreten können. Diese Ionenkanäle sind umgebungsempfindlich und können ihre Form entsprechend ändern. Ionenkanäle, die ihre Struktur als Reaktion auf Spannungsänderungen ändern, werden als spannungsgesteuerte Ionenkanäle bezeichnet. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle regulieren die relativen Konzentrationen verschiedener Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle. Der Unterschied der Gesamtladung zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle wird als bezeichnet Membranpotential.

Link zum Lernen

In diesem Video wird die Grundlage des Ruhemembranpotentials diskutiert.

Ruhemembranpotential

Ein ruhendes Neuron ist negativ geladen: Das Innere einer Zelle ist etwa 70 Millivolt negativer als das Äußere (–70 mV, beachten Sie, dass diese Zahl je nach Neuronentyp und Spezies variiert). Diese Spannung wird als Ruhepotential der Membran bezeichnet und wird durch Konzentrationsunterschiede von Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle verursacht. Wenn die Membran für alle Ionen gleich durchlässig wäre, würde jede Ionenart durch die Membran fließen und das System würde ein Gleichgewicht erreichen. Da Ionen die Membran nicht einfach nach Belieben passieren können, gibt es unterschiedliche Konzentrationen mehrerer Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle, wie in Tabelle 26.1 gezeigt. Der Unterschied in der Anzahl der positiv geladenen Kaliumionen (K + ) innerhalb und außerhalb der Zelle dominiert das Ruhemembranpotential (Abb. 26.10). Wenn die Membran ruht, sammeln sich K + -Ionen im Inneren der Zelle aufgrund einer Nettobewegung mit dem Konzentrationsgradienten an. Das negative Ruhemembranpotential wird erzeugt und aufrechterhalten, indem die Konzentration von Kationen außerhalb der Zelle (in der extrazellulären Flüssigkeit) relativ zum Inneren der Zelle (im Zytoplasma) erhöht wird. Die negative Ladung innerhalb der Zelle wird dadurch erzeugt, dass die Zellmembran für die Bewegung von Kaliumionen durchlässiger ist als für die Bewegung von Natriumionen. In Neuronen werden Kaliumionen innerhalb der Zelle in hohen Konzentrationen gehalten, während Natriumionen außerhalb der Zelle in hohen Konzentrationen gehalten werden. Die Zelle besitzt Kalium- und Natrium-Leckagekanäle, die es den beiden Kationen ermöglichen, entlang ihres Konzentrationsgradienten zu diffundieren. Die Neuronen haben jedoch weit mehr Kalium-Leckage-Kanäle als Natrium-Leckage-Kanäle. Daher diffundiert Kalium viel schneller aus der Zelle heraus als Natrium eindringt. Da mehr Kationen die Zelle verlassen als eintreten, führt dies dazu, dass das Innere der Zelle relativ zum Äußeren der Zelle negativ geladen ist. Die Aktionen der Natrium-Kalium-Pumpe tragen dazu bei, das Ruhepotential zu erhalten, sobald es etabliert ist. Denken Sie daran, dass Natrium-Kalium-Pumpen zwei K + -Ionen in die Zelle bringen, während drei Na + -Ionen pro verbrauchtem ATP entfernt werden. Da mehr Kationen aus der Zelle ausgestoßen als aufgenommen werden, bleibt das Innere der Zelle gegenüber der extrazellulären Flüssigkeit negativ geladen. Zu beachten ist, dass Chloridionen (Cl – ) dazu neigen, sich außerhalb der Zelle anzusammeln, da sie von negativ geladenen Proteinen im Zytoplasma abgestoßen werden.

Ion Extrazelluläre Konzentration (mM) Intrazelluläre Konzentration (mM) Verhältnis außen/innen
Nein + 145 12 12
K+ 4 155 0.026
Cl − 120 4 30
Organische Anionen (A−) 100

Aktionspotential

Ein Neuron kann Eingaben von anderen Neuronen empfangen und, wenn diese Eingabe stark genug ist, das Signal an nachgeschaltete Neuronen senden. Die Übertragung eines Signals zwischen Neuronen erfolgt im Allgemeinen durch eine Chemikalie, die als Neurotransmitter bezeichnet wird. Die Übertragung eines Signals innerhalb eines Neurons (vom Dendriten zum Axonterminal) erfolgt durch eine kurze Umkehrung des Ruhemembranpotentials, das als Aktionspotential bezeichnet wird. Wenn Neurotransmittermoleküle an Rezeptoren binden, die sich auf den Dendriten eines Neurons befinden, öffnen sich Ionenkanäle. An erregenden Synapsen ermöglicht diese Öffnung positiven Ionen, in das Neuron einzudringen und führt zu einer Depolarisation der Membran – einer Abnahme der Spannungsdifferenz zwischen dem Inneren und Äußeren des Neurons. Ein Stimulus von einer Sinneszelle oder einem anderen Neuron depolarisiert das Zielneuron auf sein Schwellenpotential (-55 mV). Na + -Kanäle im Axonhügel öffnen sich, wodurch positive Ionen in die Zelle eindringen können (Abbildung 26.10 und Abbildung 26.11). Sobald sich die Natriumkanäle öffnen, depolarisiert das Neuron vollständig auf ein Membranpotential von etwa +40 mV. Aktionspotentiale werden als "Alles-oder-Nichts"-Ereignis angesehen, da das Neuron bei Erreichen des Schwellenpotentials immer vollständig depolarisiert. Sobald die Depolarisation abgeschlossen ist, muss die Zelle nun ihre Membranspannung wieder auf das Ruhepotential "zurücksetzen". Dazu schließen sich die Na + -Kanäle und können nicht geöffnet werden. Damit beginnt das Neuron Refraktärzeit, in dem es kein weiteres Aktionspotential erzeugen kann, da sich seine Natriumkanäle nicht öffnen. Gleichzeitig öffnen sich spannungsgesteuerte K + -Kanäle, sodass K + die Zelle verlassen kann. Wenn K + -Ionen die Zelle verlassen, wird das Membranpotential wieder negativ. Die Diffusion von K + aus der Zelle heraus hyperpolarisiert der Zelle, indem das Membranpotential negativer wird als das normale Ruhepotential der Zelle. An diesem Punkt kehren die Natriumkanäle in ihren Ruhezustand zurück, d. h. sie sind bereit, sich wieder zu öffnen, wenn das Membranpotential erneut das Schwellenpotential überschreitet. Schließlich diffundieren die zusätzlichen K + -Ionen durch die Kaliumleckagekanäle aus der Zelle heraus und bringen die Zelle aus ihrem hyperpolarisierten Zustand zurück auf ihr Ruhemembranpotential.


So berechnen Sie ein Membranpotential

Die Berechnung der Ladung eines Ions durch eine Membran, das Nernst-Potential, ist relativ einfach zu berechnen. Die Gleichung lautet wie folgt: (RT/zF) log([X]out/[X]in). RT/F ist ungefähr 61, daher kann die Gleichung geschrieben werden als

  • R ist die universelle Gaskonstante (8,314 J.K-1.mol-1).
  • T ist die Temperatur in Kelvin (°K = °C + 273.15).
  • z ist die Ionenladung für ein Ion. Zum Beispiel, z ist +1 für K+, +2 für Mg2+, -1 für F-, -1 für Cl- usw. Denken Sie daran, dass z keine Einheit hat.
  • F ist die Faraday-Konstante (96485 C.mol-1).
  • [x]aus ist die Konzentration des Ions außerhalb der Spezies. Zum Beispiel die Molarität außerhalb eines Neurons.
  • [x]in ist die Konzentration des Ions innerhalb der Spezies. Zum Beispiel die Molarität innerhalb eines Neurons.

Der einzige Unterschied in der Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung besteht darin, dass die Konzentrationen aller permeablen Ionen wie folgt addiert werden

Figur 3. (Im Uhrzeigersinn von oben links) 1) Die Ladungen sind auf beiden Seiten gleich, daher hat die Membran kein Potential. 2) Es besteht ein Ladungsungleichgewicht, das der Membran ein Potenzial verleiht. 3) Die Ladungen richten sich auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aus, um der Membran ihr Potenzial zu verleihen. 4) Ein hypothetisches Neuron im menschlichen Körper eine große Konzentration von Kalium im Inneren und Natrium im Äußeren.

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Schau das Video: Was ist das Ruhepotential? (Juli 2022).


Bemerkungen:

  1. Vokazahn

    In my opinion it already was discussed.

  2. Kateb

    Zeigen Sie, wo ich es finden kann?

  3. Federico

    Stimmen Sie zu, das ist der bemerkenswerte Satz

  4. Saxon

    Sicherlich. Ich habe mich ganz oben erzählt. Lassen Sie uns diese Frage diskutieren.

  5. Kagacage

    Ich denke, Sie machen einen Fehler. Ich kann es beweisen. Senden Sie mir eine E -Mail an PM, wir werden reden.

  6. Sadaqat

    Bravo, ein Satz ... eine andere Idee

  7. Rhys

    die sehr kostbare Münze



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