Date post: | 05-Apr-2015 |
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Potentiale und Ionenkanäle
Inhalt
• Konzentrationen in einer Nervenzelle (Säuger)• Steuerbare Ionen-Kanäle • Das Ruhepotenzial• Ersatzschaltbild für die elektrischen Eigenschaften
einer Membran mit Ionenkanälen
Ladungstransport durch Ionenkanäle in der Zellmembran
• Die Topographie der Ionenkanäle „ersetzt“ die Hydrathülle
Quelle für das Bild: http://nobelprize.org/, http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/adv.html
Einer Nervenzelle entsprechende K+ und Na+ Konzentrationen
• Die Schwerpunkte unterschiedlicher Ladungen sind identisch: Elektrische Feldstärke und Spannung sind Null.
mV
-60
K+
5 mmol/l
400
I A
K+ 140 mmol/l
-90
Na+
150 mmol/lNa+
15 mmol/l
Cl-5 mmol/l
Cl-155 mmol/l
Cl-140 mmol/l
Anionen-155 mmol/l
Die Teilung in obere und untere Bereiche dient der bessern Übersicht: In Realität sind Na+ , K+ und Cl- gemischt
Spannung bei Öffnung des K+ Kanals
• Bei Öffnung treibt der Konzentrationsunterschied die Diffusion der K+ Ionen, die negative Ladung bleibt zurück: Aus der Ladungstrennung folgt Feldstärke und Potentialdifferenz
mV
-60
K+
5 mmol/l
400
I A
K+ 140 mmol/l
-90
Na+
150 mmol/lNa+
15 mmol/l
U37° = 62·log 5/140 = -90 mV
Elektrische Feldstärke
Cl-155 mmol/l
Anionen155 mmol/l
Spannung bei Öffnung des Na+ Kanals
• Bei Öffnung treibt der Konzentrationsunterschied die Diffusion der Na+
Ionen, die negative Ladung bleibt zurück: Aus der Ladungstrennung folgt Feldstärke und Potentialdifferenz
mV
-60
K+
5 mmol/l
0
I A
K+ 140 mmol/l
-90
Na+
150 mmol/lNa+
15 mmol/l
60
U37° = 62·log 150/15 = 62 mV
Cl-155 mmol/l
Anionen155 mmol/l
Aufbau der K+ und Na+ Konzentrationen einer Nervenzelle
• Ein als Na/K Pumpe arbeitendes Enzym hält die Konzentrationen in- ( I ) und außerhalb ( A ) der Zelle konstant
mV
-60
K+
5 mmol/l
400
I A
K+ 140 mmol/l
-90
Na+
150 mmol/lNa+
15 mmol/l
Cl-155 mmol/l
Anionen155 mmol/l
Ruhepotenzial
1. Spezielle K+ Kanäle öffnen, sie allein würden das Potential auf -90 mV einstellen.
2. Na+ diffundiert in geringem Maß von A nach I und hebt das Ruhepotential auf -70 mV.
mV
-60
K+
5 mmol/l
400
I A
K+ 140 mmol/l
-90
Na+
150 mmol/lNa+
15 mmol/l
Elektrische Feldstärke
Cl-155 mmol/l
Anionen155 mmol/l
Ersatzschaltbild beim Ruhepotential
Einfachstes Ersatzschaltbild für eine Membran mit Ruhepotential -70 mV, bestehend aus R, C und Spannungsquelle (=Diffusionspotential). Quelle: http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1963/eccles-lecture.pdf
mV
-60
K+
5 mmol/l
400
I A
K+ 140 mmol/l
-90
Na+
150 mmol/lNa+
15 mmol/l
Nernst-Potential
Membran-Leitfähigkeit
Ladungs speichernde Oberflächen auf beiden
Seiten der Membran
Frage zum Ersatzschaltbild beim Ruhepotential
I A
Nernst-Potential U0
Membran-Leitfähigkeit 1/R
Ladungs speichernde Oberflächen auf beiden Seiten
der Membran, Kapazität C
Q: Wo bleibt die Induktivität (L) des Aufbaus?
A: Die langsame Änderung des Ionenstroms macht U = - L · İ
vernachlässigbar klein
finis
Schema der Membran mit geschlossenem Kanal
Schema des Na+ - Ionen Transports bei geöffnetem Kanal
Zusammenfassung
• Der Ladungstransport erfolgt über Ionen – und nicht, wie in den meisten Anwendungen der Technik, über Elektronen
• Partielle Öffnung der Ionenkanäle ändert die Leitfähigkeit der Membran Ionen-selektiv
• Ersatzschaltbild der elektrischen Eigenschaften, es entspricht für jede Ionen Art
• Der Konzentrationsgradient einer Spannungsquelle• Die Leitfähigkeit der Membran einem ohmschen
Widerstand– die Ladungskonzentration zu beiden Seiten der
Membran einem Kondensator (Kapazität) • Das Ruhepotenzial liegt etwa bei -60 bis -70 mV
finis