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Die Voltage-Clamp-Technik

Inhalt

Elektrophysiologie

Sinnesphysiologie

Unterabschnitte

Das Aktionspotential

Das Aktionspotential nach Hodgkin und Huxley

Wird in einem Voltage-Clamp-Experiment die Membran um 10 mV depolarisiert, so fließt ein Strom durch die Ruhemembrankanäle: Der Leckstrom i_L. Die Leitfähigkeit der Leckstromkanäle sei g_L.

Bei einer höheren Depolarisation kommt es vor allem auf die Leitfähigkeiten der natrium- und Kalium-kanäle an. Durch ein Blockieren des Natrium-Kanals mit TTX, bzw. des Kalium-Kanals durch TEA, kann man - nach Abzug des Leckstroms - und unter Berücksichtigung der kapazitiven Ströme den Natrium- und den Kalium Strom (I_Na und I_K) isolieren. Aus diesesn strömen kann man dann die Leifähigkeiten berechnen.

Die Natriumkanäle haben drei Konformatinonen: geschlossen, offen und inaktiviert. Die Inaktivierung kann nur durch eine Repolarisation aufgehoben werden.

Das Aktionspotential verläuft nach Hodgkin und Huxley wie folgt ab:

Depolarisation der Membran.
Öffnen der Natriumkanäle führt zu einem Natriumeinstrom.
Die Entladung des Membrankondensators führt zu einem weiteren Natriumeinstrom.
Die weitere Depolarisation durch die sich selbst verstärkende Wirkung des Natriums (immer mehr Kanäle öffenen sich, immer mehr Natrium strömt ein) inaktiviert dann schliesslich die Natriumkanäle.
Verzögert öffnen sich die Kaliumkanäle.
Der Kaliumeinstrom Re- bzw. Hyperpolarisiert die Membran.

Nach dem Aktionspotential sind die Natriumkanäle noch einige Zeit inaktiviert. In dieser Zeit kann kein weiteres Aktionspotential ausgelöst werden. Man nennt dies die absolute Refraktärzeit. Das verspätete Schliessen der Kaliumkanäle führt zu einer relativen Refraktärzeit, in der nur ein abgeschwächtes Aktionspotential ausgelöst werden kann.

Das Alles-oder-nichts-Prinzip besagt, dass ein Aktionpotential entweder in seiner vollen Höhe oder gar nicht ausgelöst wird. Dieses Gesetz beruhr auf den zu Anfang fliessenden Strömen von Natrium-, Kalium- und Leckstrom. Je nachdem, ob I_Na + I_k + I_L grösser oder kleiner als Null ist - sprich, ob dr Strom einwärts oder auswärtsgerichtet ist, wird ein Aktionspotential ausgelöst oder nicht.

Abweichungen des Aktionspotential von Hodkin und Huxley

Den grundlegenden Mechanismus nach Hodgkin und Huxley hat man mittlerweile bei allen Tieren und bei allen Zellen in gleicher Form gefunden.

Ein wichtiger unterschied ist die Tatsache, dass es unteschiedliche Typen von Kaliumkanälen gibt. Neben dem von Hodkin und Huxley beschriebenen Klangsam aktivierten Kanal, der als verzögerter Gleichrichter dient, gibt es weitere Typen:

Der calciumaktivierte Kaliumkanal wird nur dann aktiviert, wenn nebem der Depolarisation die Calciumkonzentration im Intrazellulärraum eine ausreichend hohe Konzentration hat. Diese Kanal kann Serien von Aktionspotentialen beenden, indem er durch das akkumulierte Calcium aktiviert wird und für einen Kaliumeinstrom sorgt.

Der transitorische oder schnelle Kaliumkanal wird sehr schnell aktiviert und wieder deaktiviert.

Der M-Typ Kanal wird sehr langsam aktiviert und durch Acetylcholin inaktiviert.

Ein ATP-abhängiger Kaliumkanal wird nur dann geöffnet, wenn die ATP-Konzentration unter 1 mmol/l fällt. Die bewirkt, dass bei Energiemangel das Membranpotential nahe dem Ruhepotential gehalten wird und somit Energie gespart wird.

Des weiteren haben Hodkin und Huxley die Wirkung des Calciums nicht berücksichtigt. Es kommt bei einem Aktionspotential grunsätzlich zu einem Calciumeinstrom. Dieser Calciumeinstrom kann mehrere Aufgaben haben. Zum einen depolarisiert er die Membran und sorgt für einen weiteren Anstieg der Calciumkonzentration. Des weiteren kann der die Calciumkanäle deaktivieren und die calciumabhängigen Kaliumkanäle aktivieren und so zur Repolarisation beitragen.

Im embryonalen Gewebe, wie auch in Nevenendigungen kann die Rolle des Natriums vollständig vom Calcium übernommen werden. Die Calciumkanäle werden in niederschwellige (LVA), die schon bei -50 mV schnell depolarisiern und hochschwellige (HVA) Kanäle, die erst bei -20 mV aktiviert werden, unterteilt. Die Inaktivierung der zuletzt genannten ist sehr langsam und von der Calciumkonzentration im ICV abhängig.

Für eine Depolarisation in in den meisten Zellen sind neben den Natium- die (HVA-)Calciumkanäle mitverantwortlich. Eine weitere Verstärkung findet durch eine Ca²⁺-Freisetzung aus dem ER statt.

Die Repolarisation ist von unterschiedlichen (teils Ca²⁺-gesteuerten Kanälen) abhängig.

Eine Plateauphase wird durch einen langen Einstrom von Ca²⁺ durch die HVA-Kanäle erreicht. So wird die Natrium-Inaktivieung aufgehoben, bis es zu einem Abbruch z.B. durch den oben erwähnten kaliumabhängigen Mechanismus kommt. Es folgt eine Refraktärzeit von ca. 100 ms.

Auch wenn das Prinzip der Gleichung allgemeingültig ist, so sind Neurone doch unerschiedlich erregbat: z.B. kann eine lange Hyperpolarisation die Antwortbereitschaft deutlich senken. Und auch innerhalb eines Neurons kann es durch eine unterschiedliche Verteilung der Kanaltypen zu einem unterschiedlichen Antwortverhalten kommen.

Die heutigen Modelle beruhen - im Gegensatz zu den empirischen Werten der Hodgkin und Huxley - Gleichung - auf einem physikalisch-chemischen Modell, das Temperatur, Potential und andere Faktoren quantitativ beschreibt.

Die Hodgkin und Huxley - Gleichung

Hodgkin und Huxley haben die Kinetik des Aktionspotentials mittels empirisch gefundener Gleichungen beschrieben.

Zunächst haben sie auf Grund der oben erwähnten Kanalkinetiken die Leitfähigkeiten der Kanäle beschrieben. Die Leitfähigkeit des Kaliumkanals hängt von der Variable n, die seinen Öffnungszustand kontrolliert ab:

$g_K = n^4 \cdot g_K$

Beim NAtriumkanal kontrolliert m die Aktivierung des Kanals und h ist für die Inaktivierung des Kanals verantwortlich:

$g_{Na} = m^3 \cdot h \cdot g_{Na}$

Alle drei variablen lassen sich wiederum durch Gleichungen in Abhängigkeit von zwei Konstanten $\alpha$ und $\beta$ darstellen, die den Gleichgewichtskonstanten für die Hin- und Rückreaktion zwischen zwei Zuständen entsprechen.

Der Strom über der Membran ergibt sich dann als:

$i_m = C_m \frac{dE}{dt} + g_Na (E - E_{Na}) + g_K (E - E_K) + g_L (E - E_L)$

Weiterleitung des Aktionspotentials

Die räumliche Verteilung eines Aktionspotentials entspricht ziemlich genau seiner zeitlichen Verteilung.

Die Geschwindigkeit des Aktionspotentials ist von mehreren Faktoren abhängig: Je grösser der Einwärtsstrom ist, desto schneller steigt das Aktionspotential an und desto schneller wird es weitergeleitet. Dieser Effekt wird genutzt, indem das Ruhepotential gesenkt wird, dadurch der Einwärtstrom abnimmt und die Fortleitung langsamer wird (bei Sauerstoffmangel oder einer hohen Kaliumkonzentration im Extrazellulärraum).

Wie schon oben erwähnt leitet ein Riesenaxon schneller als einen mit einem gerinen Druchmesser. Das Problem hierbei ist allerdings, dass sie Leitungsgeschwindigkeit proportional der Wurzel aus dem Durchmesser steigt, demnach also eine sehr viel stärkerer Vergrösserung für einen geringen Effekt notwendig ist, als bei der myelinisierten Faser, bei der die Leitungsgeschwindigkeit direkt proportional dem Durchmesser ist.

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