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