Neurologie, Aktionspotential, Hyperpolarisation

nickelface · Anmeldungsdatum: 16.10.2018 Beiträge: 1

Meine Frage:
Hallo,
Ich habe eine Frage bezüglich des Aktionspotentials bei der Erregungsweiterleitung.

Weshalb kehrt das Membranpotential nach der Hyperpolarisation zum Ruhepotential zurück?

(Erläuterung: Wie es durch die spannungsgesteuerten Kalium-Ionenkanäle zur Hyperpolaisation (ca. -90mV) kommt ist klar. Weshalb danach die schrittweise Depolarisation zurück zum Ruhepotential stattfindet (ca. -75mV) wird kaum erklärt - wenn, dann wird die Natrium/Kalium-Ionenpumpe als Grund genannt; jedoch ohne weitere Erklärung).

Meine Ideen:
Folgende drei Erklärungsansätze stehen für mich im Raum:

1. Na/K-Pumpe: Klingt für mich nicht logisch, da sie mehr Kationen (3 Na+) aus dem Axon transportiert als hinein (2 K+), was ja eine negative Spannung erhält und sie nicht senkt. Außerdem weiß ich nicht, ob sie dafür überhaupt schnell genug arbeitet.

2. Diffusion von K+ durch die nicht-spannungsgesteuerten Hintergrundkanäle: Die beim Overshoot herausdiffundierten Kalium-Ionen diffundieren wieder aufgrund der erhöten Spannung zurück ins Axon, bis das elektrochemische Gleichgewicht bei ca. -75mV wieder eingestellt ist.

3. Aufgrund der erhöhten Spannung während der Hyperpolarisation erhöht sich auch die Permeabilität für andere Ionen wie z.B. Na+, die in die Zelle diffundieren (sozusagen ein kurzzeitig erhöhter Na+ Leckstrom).

Würde mich über Hilfe freuen.

Vielen Dank und freundliche Grüße

PaGe · Moderator Anmeldungsdatum: 19.03.2007 Beiträge: 3549 Wohnort: Hannover

1 und 2 zusammen sind die Lösung. Maßgeblich ist die Na+/K+-Pumpe zuständig. Aufgrund der Leckströme können sich die Konzentrationen wieder richtig einstellen. Wenn die APs sehr schnell hintereinander kommen, aber außerhalb der Refraktärzeit liegen, sieht man auch, dass die APs trotz Alles-oder-Nichts-Prinzip durchaus schwächer werden, weil die Pumpe noch nicht ausreichend Zeit hatte, die Konzentrationen wieder komplett herzustellen.

Nickelface1954 · Anmeldungsdatum: 17.10.2018 Beiträge: 3

Gibt es Literatur, die belegt, dass Kalium-Ionen nach der Hyperpolarisation durch die Hintergrundkanäle IN das Axon diffundieren? Welche?

Welche Rolle spielt die NA+/K+-Pumpe konkret bei dem Angleichen ans Ruhepotential (konkreter Kausalzusammenhang zwischen Ionenbewegung und Spannungsänderung wird benötigt; Quelle?). Es geht NICHT um die Wiederherstellung der Ionenverteilungen, sondern um die Spannung.

PaGe · Moderator Anmeldungsdatum: 19.03.2007 Beiträge: 3549 Wohnort: Hannover

Da ich Lehrer bin, weiß ich das und müsste nachher mal in meinen Biobüchern vom Studium schauen, wo das alles steht.
Meines Erachtens machst du auch noch einen Fehler, indem du den Ladungstransport mit der Spannung gleichsetzt. Sicherlich ist das ein entscheidener Faktor, aber reicht alleine nicht. Wenn du eine Konzentrationszelle mit Kochsalz auf beiden Seiten aufbaust, wirst du ebenfalls eine Spannung messen, obwohl jede Seite für sich neutral ist. Es geht ihr um elektrochemische Gradienten! Und dazu musst du jede Ionensorte einzeln betrachten. Die Veränderung des Gradienten bei der Na-Ionenkonz. änderte das Na-Ionenpotential, sodass sich das Gesamtpotential änderte. Und für das Membranpotential ist es unerheblich, wie sich das Gesamtpotential zusammensetzt, daher kann es auch noch mit "falscher" Ionenverteilung schon wieder das Ruhepotential erreichen.

Außerdem stoppt der Ionenstrom, da die Kanäle sich schließen. Das Gleichgewicht wird nicht erreicht! Daher können die Ionen nicht zurückdiffundieren, sondern müssen aktiv transportiert werden. Und da gibt es nur die Pumpe. Du hast aber schon richtig angemerkt, dass es ein Ungleichgewicht beim Transport gibt. Wichtig ist nämlich, dass die Membran für Natriumionen nicht 100% dicht ist, sondern es Leckströme gibt. Daher muss die Na-K-Pumpe auch die ganze Zeit arbeiten.
Es gibt ständig offene Kaliumionen in der Membran (Die müssten schon beim Ruhepotential behandelt worden sein), die je nach Ladungs- und K+-Gradient zu unterschiedlichen Seiten diffundieren können. Dies geschieht solange, bis sich wieder ein Gleichgewicht eingestellt hat.

Nickelface1954 · Anmeldungsdatum: 17.10.2018 Beiträge: 3

Ja, danke. Aber das klärt die Frage leider noch nicht, was konkret nach dem Erreichen der Hyperpolarisation geschieht.
Das Herauspumpen von Natrium-Ionen (bei gleichzeitigem Hereintransportieren von weniger Kalium-Ionen) ist keine logische Erklärung für eine Depolarisation.
(Mir ist natürlich auch klar, dass zum Schluss zum Erreichen des Ruhepotentials nicht die gleich Ionenverteilung vorliegen muss, wie zu Beginn - das regelt die Pumpe nach dem Aktionspotential.)

PaGe · Moderator Anmeldungsdatum: 19.03.2007 Beiträge: 3549 Wohnort: Hannover

Im Purves und Campbell steht auf jeden Fall bei der Hyperpolarisation nichts spezielles. Beim Kandel bin ich auf die Schnelle nicht fündig geworden, da der Index nur 3 Stellen angibt, bei denen ich aber nichts zum AP gefunden habe.

Ich glaube, dass ich dein Problem nun verstehe. Die Pumpe befördert mehr Natriumionen durch die Membran und müsste eigentlich dazu führen, dass sein Zellpotential schneller hergestellt werden müsste. Und dieses ist ja eigentlich dafür verantwortlich, dass das Membranpotential insgesamt negativ ist.

Wenn du aber erst einmal das Ruhepotential betrachtest, scheint dies ja die Situation zu beschreiben, die sich bei aktiver Na-K-Pumpe, geschlossenen spannungsabh. Kanälen, spannungsunabh. Kanäle und den Leckströmen ausbildet. Nun ist das Membranpotential bei Aktionspotential übers Ziel hinausgeschossen. Und der einzige Weg, den es nun nehmen kann, muss in Richtung des Ruhepotentials weisen. Alles andere würde von Gleichgewicht wegführen. Da beim Ruhepotential nur Na-K-Pumpe, spannungsunabh. Kanäle sowie Leckströme eine Rolle spielen, müssen diese auch in der Lage sein, das MP vom -80mv wieder auf -75mv anzuheben. Entscheidend muss also sein, dass Pumpe und K-Kanäle zusammen zu dem Ergebnis führen. Eine Rolle könnte auch spielen, dass insgesamt mehr Natriumionen als Kaliumionen in den Medien vorliegen, für die Zellspannung aber nur Verhältnisse einer Ionensorte auf beiden Seiten wichtig sind. Und das wäre bei angenommenen 10 Ionen (K) schneller zu verändern als bei 100 Ionen (Na), auch wenn dies Beispiel nun maßlos übertrieben ist.
Eventuell solltest du daher lieber noch einmal das Ruhepotential genauer studieren. Denn im Prinzip muss sich dies ja auch aus einer Gleichverteilung aller Ionen ausbilden können. Und das ist ja ein Stadium das noch weiter vom Ruhepotential entfernt ist.

Valentin01 · Anmeldungsdatum: 29.12.2020 Beiträge: 2

tack