Biologie für Majors II

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

Neuronal geladene Membranen

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 und sich über die Membran erstrecken. Ionenkanäle haben unterschiedliche Konfigurationen: offen, geschlossen und inaktiv, wie in Abbildung 1 dargestellt. Einige Ionenkanäle müssen aktiviert werden, um Ionen zu öffnen und in die Zelle oder aus ihr herauszulassen., Diese Ionenkanäle sind empfindlich gegenüber der Umgebung und können ihre Form entsprechend verändern. Ionenkanäle, die ihre Struktur als Reaktion auf Spannungsänderungen verändern, werden spannungsgesteuerte Ionenkanäle genannt. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle regulieren die relativen Konzentrationen verschiedener Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle. Die Differenz der Gesamtladung zwischen der Innenseite und der Außenseite der Zelle wird als Membranpotential bezeichnet.

Abbildung 1. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle öffnen sich als Reaktion auf Änderungen der Membranspannung., Nach der Aktivierung werden sie für kurze Zeit inaktiviert und öffnen sich nicht mehr als Reaktion auf ein Signal.

Ruhememembranpotential

Ein ruhendes Neuron ist negativ geladen: Das Innere einer Zelle ist ungefähr 70 Millivolt negativer als das äußere (-70 mV, beachten Sie, dass diese Zahl je nach Neurontyp und Spezies variiert). Diese Spannung wird als Ruhememembranpotential bezeichnet und wird durch Unterschiede in den Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle verursacht., Wenn die Membran für alle Ionen gleichermaßen durchlässig wäre, würde jeder Ionentyp über die Membran fließen und das System würde ein Gleichgewicht erreichen. Da Ionen die Membran nicht einfach beliebig durchqueren können, gibt es unterschiedliche Konzentrationen mehrerer Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle, wie in Tabelle 1 gezeigt.

membranpotentials ist ein Ergebnis von verschiedenen Konzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle. Der Unterschied in der Anzahl der positiv geladenen Kaliumionen (K+) innerhalb und außerhalb der Zelle dominiert das Ruhememembranpotential (Abbildung 2).

Abbildung 2., Das (a) Ruhememembranpotential ist ein Ergebnis unterschiedlicher Konzentrationen von Na+ – und K+ – Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle. Ein Nervenimpuls bewirkt, dass Na+ in die Zelle eindringt, was zu (b) Depolarisation führt. Bei dem Spitzenaktionspotential öffnen sich K+ – Kanäle und die Zelle wird (c) hyperpolarisiert.

Wenn die Membran in Ruhe ist, sammeln sich K+ – Ionen in der Zelle aufgrund einer Nettobewegung mit dem Konzentrationsgradienten an., Das negative Ruhememembranpotential wird erzeugt und aufrechterhalten, indem die Konzentration von Kationen außerhalb der Zelle (in der extrazellulären Flüssigkeit) relativ zum Zellinneren (im Zytoplasma) erhöht wird. Die negative Ladung innerhalb der Zelle wird dadurch erzeugt, dass die Zellmembran für die Kaliumionenbewegung durchlässiger ist als die Natriumionenbewegung. In Neuronen werden Kaliumionen in hohen Konzentrationen innerhalb der Zelle gehalten, während Natriumionen in hohen Konzentrationen außerhalb der Zelle gehalten werden., Die Zelle besitzt Kalium – und Natriumleckkanäle, die es den beiden Kationen ermöglichen, ihren Konzentrationsgradienten zu diffundieren.

Die Neuronen haben jedoch weitaus mehr Kaliumleckkanäle als Natriumleckkanäle. Daher diffundiert Kalium viel schneller aus der Zelle als Natrium. Da mehr Kationen die Zelle verlassen als eintreten, führt dies dazu, dass das Innere der Zelle relativ zur Außenseite der Zelle negativ geladen wird. Die Aktionen der Natriumkaliumpumpe helfen, das Ruhepotential aufrechtzuerhalten, sobald es etabliert ist., Denken Sie daran, dass Natriumkaliumpumpen zwei K+ – Ionen in die Zelle bringen und gleichzeitig drei Na+ – Ionen pro verbrauchtem ATP entfernen. Da mehr Kationen aus der Zelle ausgestoßen als aufgenommen werden, bleibt das Innere der Zelle relativ zur extrazellulären Flüssigkeit negativ geladen. Es sollte beachtet werden, dass Chlorionen (Cl–) dazu neigen, sich außerhalb der Zelle anzusammeln, da sie von negativ geladenen Proteinen innerhalb des Zytoplasmas abgestoßen werden.

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