Die Rolle von Kalzium im Aktionspotential und Rezeptorpotential

Rezeptorpotentiale und Aktionspotentiale sind grundlegende Konzepte im Nervensystem, die eine entscheidende Rolle bei der Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen spielen. Rezeptorpotentiale sind elektrische Signale, die in sensorischen Nervenzellen (Rezeptoren) durch äußere Reize wie Licht, Druck oder Temperaturveränderungen erzeugt werden. Diese Potentiale entstehen, wenn spezifische Ionenkanäle in der Zellmembran der Rezeptoren geöffnet werden, was zu einer Veränderung des Membranpotentials führt. Sie sind die ersten Schritte bei der Umwandlung eines physischen Reizes in ein neuronales Signal.

Rezeptorpotentiale: Eine Einführung

Rezeptorpotentiale sind von großer Bedeutung, da sie bestimmen, ob ein sensorischer Reiz stark genug ist, um eine Reaktion im Nervensystem zu initiieren. Dieser Prozess umfasst die folgenden Schritte:

1. Ein physikalischer Reiz (z.B. Licht, Druck oder Chemikalien) aktiviert die Rezeptorzelle.
2. Die Zellmembran wird depolarisiert oder hyperpolarisiert, was das Rezeptorpotential erzeugt.
3. Das Rezeptorpotential verändert den Zustand spannungsgesteuerter Ionenkanäle.
4. Bei ausreichender Stärke wird ein Aktionspotential erzeugt, welches das Signal weiterleitet.

Rezeptorpotentiale sind graduell, was bedeutet, dass ihre Stärke proportional zur Intensität des Reizes ist. Ein Beispiel für die Funktion von Rezeptorpotentialen ist im menschlichen Auge zu finden: Licht, das auf die Retina fällt, wird in elektrische Signale umgewandelt, die dann vom Gehirn als Bild interpretiert werden. Der Prozess umfasst:

1. Lichtreiz trifft auf die Photorezeptorzellen.
2. Rezeptorpotentiale werden generiert.
3. Bei ausreichender Depolarisation werden Aktionspotentiale in den nachgeschalteten Zellen ausgelöst und weitergeleitet.

Rezeptorpotentiale können je nach Stärke und Art des externen Reizes verschiedene Funktionen erfüllen:

• Initiale Erkennung: Sie spielen eine Schlüsselrolle beim Erkennen von Reizarten wie Licht, Druck oder chemischen Substanzen.
• Signalverstärkung: Schwache Reize werden durch Rezeptorpotentiale verstärkt, um eine adäquate neuronale Antwort zu ermöglichen.
• Adaptation: Rezeptorpotentiale können sich im Laufe der Zeit verändern und an beständige Reize anpassen, um die Empfindlichkeit des Systems zu regulieren.

Direkte und indirekte Transduktion

Eine tiefere Betrachtung zeigt, dass Rezeptorpotentiale selten Aktionspotentiale an sich sind. Stattdessen sind sie oft graduierte depolarisierende oder hyperpolarisierende Potentiale. Dies bedeutet, dass sie die Zellmembran in einer Weise beeinflussen, die die Wahrscheinlichkeit der Weiterleitung von Aktionspotentialen beeinflusst. Es gibt zwei Hauptmechanismen bei denen Rezeptorpotentiale ihre Funktion erfüllen:

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• Direkte Transduktion: Der Reiz aktiviert direkt Ionenkanäle in der Membran und verursacht eine sofortige Veränderung des Membranpotentials.
• Indirekte Transduktion: Der Reiz aktiviert Rezeptoren, die Signalkaskaden auslösen und schließlich Ionenkanäle öffnen.

Diese Mechanismen unterstreichen die Bedeutung der Rezeptorpotentiale als Initialphase in der sensorischen Signalverarbeitung.

Rezeptorpotentiale und Aktionspotentiale im Vergleich

Rezeptorpotentiale und Aktionspotentiale haben unterschiedliche Merkmale, die sie für ihre jeweilige Rolle in der Verarbeitung von neuronalen Signalen qualifizieren. Hier sind einige wesentliche Unterschiede:

Rezeptorpotentiale	Aktionspotentiale
Graduell	Alles-oder-nichts-Prinzip
Entstehen in sensorischen Rezeptorzellen	Werden normalerweise in Axonen ausgelöst
Signalmodulation	Signalweiterleitung

Diese Unterschiede werden durch die spezifische Funktion und den Ort der Entstehung innerhalb des Nervensystems bestimmt. Rezeptorpotentiale treten hauptsächlich in den Rezeptorzellen auf, während Aktionspotentiale entlang der Neuronen verlaufen, um Signale effektiv über weite Entfernungen zu übertragen.

Das Alles-oder-nichts-Prinzip der Aktionspotentiale bedeutet, dass sie nur ausgelöst werden, wenn ein bestimmter Schwellenwert überschritten wird.

Rezeptorpotentiale sind entscheidend für die Auslösung von Aktionspotentialen. Sobald ein genügender Stimulus eine Rezeptorzelle aktiviert, kann das daraus resultierende Rezeptorpotential die Schwelle für die Entstehung eines Aktionspotentials erreichen. Dies geschieht in einem mehrstufigen Prozess:

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1. Ein Rezeptorpotential wird durch einen Reiz induziert.
2. Falls die Stärke des Rezeptorpotentials ausreicht, werden spannungsgesteuerte Natriumkanäle geöffnet.
3. Die rasche Öffnung dieser Kanäle führt zur Entstehung eines Aktionspotentials.
4. Das Aktionspotential eröffnet dann weitere Kanäle, was zur Weiterleitung des Signals entlang des Axons führt.

Ein Beispiel ist die Reaktion des auditorischen Systems auf einen Schallreiz:

1. Schallwellen treffen auf die Haarzellen im Innenohr.
2. Ein Rezeptorpotential entsteht als Reaktion auf den Schallreiz.
3. Wenn das Rezeptorpotential groß genug ist, wird in den nachgeschalteten Neuronen ein Aktionspotential ausgelöst.
4. Dieses Aktionspotential wird zur Verarbeitung akustischer Informationen an das Gehirn weitergeleitet.

Summation von Rezeptorpotentialen

Rezeptorpotentiale besitzen die Fähigkeit, sich zu summieren, was bedeutet, dass mehrere kleinere Potentialänderungen sich addieren können, um eine stärkere Depolarisation zu erzeugen. Dieser Prozess ist entscheidend, um die Schwelle für die Auslösung eines Aktionspotentials zu erreichen. Summation kann auf zwei Weisen erfolgen:

• Räumliche Summation: Rezeptorpotentiale aus unterschiedlichen Bereichen der Rezeptorzelle addieren sich, um eine stärkere Reaktion hervorzurufen.
• Zeitliche Summation: Mehrere Rezeptorpotentiale, die in kurzer Abfolge auftreten, addieren sich, um einen größeren Effekt zu erzeugen.

Ein Beispiel für die Summation von Rezeptorpotentialen findet sich bei der Rezeptorzelle der Cochlea, wo mehrere Frequenzen gleichzeitig aufgenommen werden. Jede Frequenz erzeugt ein individuelles Rezeptorpotential und die Summation dieser Potentiale kann stärker sein als die Summe ihrer Teile, was zu einer erhöhten Signalübertragung führt.

Die Fähigkeit zur Summation ermöglicht es sensorischen Systemen, flexibler auf eine Vielzahl von Reizintensitäten zu reagieren.

Die Rolle von Kalzium (Ca2+)

Kalzium-Ionen sind entscheidend für die Auslösung und Modulation von Rezeptorpotentialen, die letztlich die Kommunikation zwischen sensorischen Zellen und dem Nervensystem beeinflussen.

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Kalzium in der synaptischen Übertragung

Die chemische Synapse ist ein wichtiger Ort der Nervenzellen-Kommunikation. Wenn ein Aktionspotential die Synapse erreicht, öffnet die Spannungsänderung spezielle Calciumionenkanäle in der Zellmembran. Ca2+-Ionen strömen in die Zelle, und der plötzliche Anstieg der Calcium-Konzentration löst die Verschmelzung von Vesikeln (kleine Bläschen voller Neurotransmitter) mit der Membran aus. Die freigesetzten Neurotransmitter schwimmen durch den synaptischen Spalt und docken an spezifische Rezeptoren der postsynaptischen Membran an. Sobald ein Transmitter andockt, öffnen sich die ligandengesteuerten Kanäle, was zur Entstehung eines postsynaptischen Potentials führt.

Spannungsabhängige Calcium-Kanäle

Calcium-Kanäle sind integrale Membranproteine, die in der Lage sind, zweiwertig positive Calcium-Ionen mit dem Konzentrationsgefälle, also passiv, zu transportieren. Die für den Biologie-Unterricht wichtigsten Calcium-Kanäle sind die spannungsabhängigen Calcium-Kanäle in dem synaptischen Endknöpfchen. Spannungsgesteuerte Calcium-Kanäle sind nicht nur für Ca2+-Ionen durchlässig, sondern auch für Ba2+-, Sr2+- und Mg2+-Ionen. Die Schwermetall-Ionen Ni2++, Co2+ und Cd2+ blockieren dagegen die spannungsabhängigen Calcium-Kanäle und verhindern so die synaptische Übertragung.

Funktionell lassen sich die spannungsabhängigen Ca2+-Kanäle (VGCCs, voltage-gated calcium channels) in zwei Gruppen einteilen, nämlich die hochspannungsregulierten und die niedrigspannungsregulierten Calcium-Kanäle. Diese Unterscheidung trifft man seit 1975. Die niedrigspannungsregulierten Calcium-Kanäle öffnen sich bereits bei sehr leichten Depolarisierungen der Zellmembran, während die hochspannungsregulierten Kanäle recht große Depolarisierungen benötigen, wie sie zum Beispiel während eines Aktionspotenzials herrschen.

Diese Ca2+-Kanäle, die sich erst bei Depolarisierungen von -10 mV oder mehr öffnen, werden nochmals in zwei Gruppen eingeteilt, nämlich die L-Typ-Calcium-Kanäle und die non-L-Typ-Calcium-Kanäle. Die L-Typ-Kanäle werden durch klassische Calcium-Kanal-Blocker gehemmt, zum Beispiel Dihydropyridine, Phenylalkylamine oder Benzothiazepine. Diese Calcium-Kanäle werden durch die "klassischen" Blocker nicht gehemmt, wohl aber durch bestimmte Spinnen- oder Meeresschnecken-Gifte, meistens kurze Peptide.

Die non-L-Typ-Calcium-Kanäle sind übrigens die Calcium-Kanäle, die in der motorischen Endplatte (der "Schulbuch-Synapse") eine große Rolle spielen. Sie öffnen sich, wenn ein Aktionspotenzial am Endknöpfchen ankommt. Diese Ca2+-Kanäle, oft auch als T-Typ-Calcium-Kanäle bezeichnet, öffnen sich bereits bei -70 mV und schließen sich wieder, wenn das Membranpotenzial Werte von -40 mV oder "höher" erreicht (also zum Beispiel -30 mV). Diese Art von Calcium-Kanälen findet man im ZNS, im Herz und in der Niere, in der Muskulatur und in vielen anderen Geweben. Im Herzmuskelgewebe spielen diese Calcium-Kanäle die Rolle von Schrittmachern.

1989 wurde ein zweiter Typ der niedrigspannungsregulierten Calcium-Kanäle entdeckt, der dann als P-Typ bezeichnet wurde. Allerdings beträgt das Schwellenpotenzial hier nicht -70 mV wie bei den T-Typ-Kanälen, sondern -50 mV. Die P-Typ-Kanäle kommen auch nur in den sogenannten Purkinje-Zellen des Kleinhirns vor.

Aufbau eines L-Typ-Calcium-Kanals

Ein Calcium-Kanal besteht aus mehreren Untereinheiten, von denen die alpha-Untereinheit wohl die wichtigste ist, weil sie die eigentliche Pore bildet, durch die die Calcium-Ionen in die Zelle eintreten können. Die alpha1-Untereinheit ist ein großes Protein mit insgesamt 4 x 6 alpha-Helices, die sich durch die Membran winden. Das Protein besteht aus vier Domänen, und jede Domäne wiederum setzt sich aus sechs alpha-Helices zusammen, die quer durch die Membran gehen.

Kalziumempfindlichkeit synaptischer Vesikel

Göttinger Forscher konnten das intrazelluläre Kalziumionen-Signal bestimmen, das die Verschmelzung synaptischer Vesikel einleitet. Die Kenntnis von Zeitverlauf und Stärke dieses Signals trägt dazu bei, die Prozesse der Informationsübertragung zwischen Nervenzellen besser zu verstehen. Sie benutzten dafür als Modellsystem eine spezielle synaptische Verbindung zwischen zwei Nervenzellen in der Hörbahn von Ratten, den "Heldschen Kelch".

Die mit dieser Methode erstmals erhaltenen Einblicke in das intrazelluläre Kalziumsignal für die Vesikelverschmelzung in Nervenzellen sind in vielerlei Hinsicht überraschend. In ihrer jetzt erschienenen Veröffentlichung in Nature berichten Schneggenburger und Neher, dass bereits bei intrazellulären Kalziumkonzentrationen von ca. 10 µM (Mikromol) ein erheblicher Teil der fusionsbereiten Vesikeln zur Verschmelzung gelangt. Dieses Ergebnis zeigt dass die Kalzium-Empfindlichkeit der Vesikelfusion höher ist als aus vorhergehenden Studien erwartet wurde. Schneggenburger und Neher fanden außerdem, dass während eines Aktionspotentials, also des natürlichen Stimulus in der aussendenen Zelle, nur ca. 10% aller fusionsbereiten Vesikel mit der Plasmamembran verschmelzen. Sie schlossen aus dieser relativ niedrigen Verschmelzungsrate, dass während eines Aktionspotentials nur ein kleiner Teil der Ca2+-Rezeptorkomplexe mit Kalzium abgesättigt wird. Nervenzellen behalten also einen Großteil ihrer sekretionsbereiten Vesikel als Reserve zurück, um auch auf ein zweites, nachfolgendes Aktionspotential noch mit effektiver Transmitterausschüttung reagieren zu können.

Die Calciumantwort als neuronaler Informationsspeicher

Wissenschaftler der Charité - Universitätsmedizin Berlin haben auf der Ebene einzelner Nervenzellen einen Mechanismus identifiziert, der bei der Gedächtnisbildung eine Rolle spielen könnte. Sie stellten fest, dass rückwärts wandernde elektrische Impulse einen Rezeptor im Innern der Zelle aktivieren und so die Calciumantwort in ausgewählten Bereichen einer Nervenzelle langfristig verändern.

Die Wissenschaftler zeigen in ihrer Studie, dass rückwärts in den Dendritenbaum wandernde Aktionspotentiale langfristige Veränderungen in der Calciumantwort von Spines bewirken. Spines, oder Dornfortsätze, sind kleine, für die Kommunikation zwischen Nervenzellen wichtige Fortsätze der Nervenfasern. Trifft ein rückwärts wanderndes Aktionspotential auf einen solchen Spine, verändert sich kurzfristig die Calciumkonzentration innerhalb des Spines, da Calciumionen durch sich öffnende Ionenkanäle von außen hineinströmen. Zusätzlich wird ein intrazellulärer Rezeptor aktiviert, der Ryanodin-Rezeptor, der die Freisetzung von in der Zelle gespeichertem Calcium auslöst. Dies führt zu einer langfristigen Veränderung der durch elektrische Impulse hervorgerufenen Calciumantwort im Inneren des Spines.

Aktionspotential im Herz

Das Aktionspotential besteht aus einer Depolarisation (Erregung) gefolgt von einer Repolarisation (Erholung). Das Aktionspotential tritt in allen Herzzellen auf, sein Aussehen variiert jedoch je nach Zelltyp. Während der De- und Repolarisation fließen Ionen (Na+ [Natrium], K+ [Kalium] und Ca2+ [Calcium]) über die Zellmembran hin und her. Da Ionen elektrisch geladen sind, erzeugt ihre Bewegung einen elektrischen Strom. Der Elektrokardiograph (EKG-Gerät) zeichnet diese elektrischen Ströme auf und stellt sie als Elektrokardiogramm (EKG) dar.

Die Automatizität der Zellen im Sinusknoten erklärt sich dadurch, dass diese Zellen einen langsamen Natriumeinstrom (Na+) nach intrazellulär aufweisen, sobald sie ihren Ruhezustand erreichen. Wenn Natrium in die Zelle strömt, wird die Zellmembran allmählich positiver. Wenn das Membranpotenzial dadurch seinen Schwellenwert von -40 mV erreicht, wird das Aktionspotential ausgelöst und die Zelle depolarisiert. Dies geschieht, indem bei -40 mV spannungsgesteuerte Calciumkanäle (Ca2+) öffnen, sodass positiv geladene Calciumionen in die Zelle strömen und das Membranpotential schlagartig anheben (Depolarisation). Daraufhin öffnen sich nach extrazellulär gerichtete Kaliumkanäle (K+), was das Membranpotential wieder absenkt, also zu einer Repolarisation der Zelle führt. Der Zyklus wiederholt sich dann selbst.

Die Weiterleitung des Aktionspotentials ist möglich, da alle Herzzellen über Gap Junctions elektrisch miteinander verbunden sind. Gap Junctions sind Proteinkanäle, die die Zellmembranen benachbarter Zellen verbinden und so den Ionenfluss zwischen den Zellen ermöglichen. Das bedeutet, dass sich das Aktionspotential über Gap Junctions von einer Zelle zur anderen ausbreitet.

Die Arbeitsmyokardzellen weisen im Gegensatz zu Zellen des Sinusknotens ein echtes, also stabiles Ruhepotential auf (Phase 4), das bei -90 mV liegt. Diese Zellen müssen stimuliert werden, um in ihnen ein Aktionspotential zu auszulösen. Bei der Stimulation öffnen sich Natrium-(Na+)-Kanäle, die einen schnellen Natriumeinstrom bewirken und die Zelle depolarisieren. Arbeitsmyokardzellen beginnen sich einige Millisekunden nach Beginn der Depolarisation zu kontrahieren. Wenn daraufhin wieder die Repolarisation erreicht ist, beginnen sie sich nach einigen Millisekunden zu entspannen.

Die Phasen des Aktionspotentials im Arbeitsmyokard sind:

• Phase 4 (Ruhephase): Während der Ruhephase sind nur nach extrazellulär gerichtete Kalium- (K+) -Kanäle geöffnet, sodass der Ausstrom von Kalium ein negatives Ruhemembranpotential (ungefähr -90 mV) herstellt.
• Phase 0 (Depolarisation): Bei der Stimulation erfolgt eine schnelle Depolarisation über den Zustrom Einstrom von Natrium (Na+) und die Zelle wird positiv geladen (ungefähr 20 mV).
• Phase 1 (frühe Repolarisation): Während dieser Phase öffnet sich eine andere Art von Kaliumkanälen (K+) und ein kurzer Kaliumausstrom repolarisiert die Zelle leicht.
• Phase 2 (Plateauphase): Fast gleichzeitig mit dem Öffnen von Kaliumkanälen in Phase 1 öffnen sich spannungsgesteuerte, langsame Calciumkanäle (Ca2+), wodurch Calcium in die Zelle fließt.

Während der überwiegenden Dauer des Aktionspotentials ist die Myokardzelle absolut refraktär gegenüber Stimulation, was bedeutet, dass ein zusätzlicher Stimulus unabhängig von der Intensität des Reizes kein neues Aktionspotential auslösen kann. Auf die absolute Refraktärzeit folgt eine relative Refraktärzeit, in der eine starke Stimulation ein neues Aktionspotential auslösen kann.

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