Potentiale und Ionenkanäle

1. Potentiale und Ionenkanäle

2. Inhalt • Konzentrationen in einer Nervenzelle (Säuger) • Steuerbare Ionen-Kanäle • Das Ruhepotenzial • Ersatzschaltbild für die elektrischen Eigenschaften einer Membran mit Ionenkanälen

3. 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

4. Einer Nervenzelle entsprechende K+ und Na+ Konzentrationen mV 0 40 -60 • Die Schwerpunkte der positiven und negativen Ladungen sind identisch: Elektrische Feldstärke und Spannung sind Null. -90 Na+ 150 mmol/l Na+ 15 mmol/l Anionen 155 mmol/l Cl- 155 mmol/l Cl- 140 mmol/l Cl- 5 mmol/l K+ 140 mmol/l K+ 5 mmol/l I A Die Teilung in obere und untere Bereiche dient der bessern Übersicht: In Realität sind Na+ , K+ und Cl- gemischt

5. Spannung bei Öffnung des K+ Kanals U37° = 62·log 5/140 = -90 mV mV 0 40 -60 • Bei Öffnung treibt der Konzentrationsunterschied die Diffusion der K+ Ionen, die negative Ladung bleibt zurück: Aus der Ladungstrennung folgt Feldstärke und Potentialdifferenz -90 Na+ 150 mmol/l Na+ 15 mmol/l Anionen 155 mmol/l Cl- 155 mmol/l K+ 140 mmol/l K+ 5 mmol/l Elektrische Feldstärke I A

6. Spannung bei Öffnung des Na+ Kanals U37° = 62·log 150/15 = 62 mV mV 0 -60 60 • Bei Öffnung treibt der Konzentrationsunterschied die Diffusion der Na+ Ionen, die negative Ladung bleibt zurück: Aus der Ladungstrennung folgt Feldstärke und Potentialdifferenz -90 Na+ 150 mmol/l Na+ 15 mmol/l Anionen 155 mmol/l Cl- 155 mmol/l K+ 140 mmol/l K+ 5 mmol/l I A

7. Aufbau der K+ und Na+ Konzentrationen einer Nervenzelle mV 0 40 -60 • Ein als Na/K Pumpe arbeitendes Enzym hält die Konzentrationen in- ( I ) und außerhalb ( A ) der Zelle konstant -90 Na+ 150 mmol/l Na+ 15 mmol/l Anionen 155 mmol/l Cl- 155 mmol/l K+ 140 mmol/l K+ 5 mmol/l I A

8. Ruhepotenzial mV 0 40 -60 • Spezielle K+ Kanäle öffnen, sie allein würden das Potential auf -90 mV einstellen. • Na+ diffundiert in geringem Maß von A nach I und hebt das Ruhepotential auf -70 mV. -90 Na+ 150 mmol/l Na+ 15 mmol/l Anionen 155 mmol/l Cl- 155 mmol/l K+ 140 mmol/l K+ 5 mmol/l Elektrische Feldstärke I A

9. Ersatzschaltbild beim Ruhepotential mV 0 40 -60 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 -90 Membran-Leitfähigkeit Nernst-Potential Na+ 150 mmol/l Na+ 15 mmol/l K+ 140 mmol/l K+ 5 mmol/l Ladungs speichernde Oberflächen auf beiden Seiten der Membran I A

10. Schema der Membran mit geschlossenem Kanal

11. Schema des Na+ - Ionen Transports bei geöffnetem Kanal

12. Potentiale bei geschlossenem und geöffnetem Na+ Kanal

13. 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

14. Frage zum Ersatzschaltbild beim Ruhepotential Q: Wo bleibt die Induktivität (L) des Aufbaus? A: Die langsame Änderung des Ionenstroms macht U = - L · İ vernachlässigbar klein Membran-Leitfähigkeit 1/R Nernst-Potential U0 Ladungs speichernde Oberflächen auf beiden Seiten der Membran, Kapazität C I A finis