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KAD 2008.04.28 Ruhepotential, Aktionspotential RPAP.

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Präsentation zum Thema: "KAD 2008.04.28 Ruhepotential, Aktionspotential RPAP."—  Präsentation transkript:

1 KAD Ruhepotential, Aktionspotential RPAP

2 2 Tierische und menschliche Zellen sind von einer Membran umschlossen, die den Zellinhalt vom umgebenden Extrazellulärraum trennen. Das Innere der Zellen enthält neben spezifischen intrazellulären Organellen und dem strukturgebenden Zytoskelett etwa zur Hälfte das sog. Zytosol, das zu etwas 20 Gewichtsprozent aus Eiweiss besteht, aber eine wässrige Phase besitzt, in der kleine Moleküle und organische und anorganische Ionen gelöst sind. ZelleZellmembran Membran

3 3 Wird eine Elektrode in einer Muskelzelle (im Intrazellulärraum) und eine andere Elektrode auf der Zelloberfläche (im Extrazellulärraum) angebracht, so kann eine Potenzialdifferenz (= Spannung) zwischen den Elektroden gemessen werden. Der Name dieser Potenzialdifferenz ist Ruhepotential. Die intrazelluläre Elektrode besitzt im Vergleich zur extrazellulären Elektrode ein negatives Potential. (Man definiert das Potential der Aussenseite willkürlich mit 0.) Spannungs- messgerät Mikroelektrode Zelle nicht polarisierbare Mikroelektrode: ausgezogene Glasröhre (0.1 m Durchmesser) mit Elektrolyt (Wasser mit Ionen) gefüllt Zellmembran Polarisation der Zelle

4 4 Elektrische Eigenschaften von Zellen im Ruhezustand extrazellulärer Raum intrazellulärer Raum Zellmembran Na + Cl – K+K+ K+K+ V PhosphatanionProteinanion bewegliche Ionen unbewegliche Ionen U i(e) = –90 mV

5 5 Gewebe [Na + ] i [K + ] i [Cl - ] i [Na + ] e [K +] e [Cl - ] e Tintenfisch- Riesenaxon Froschmuskel201393,81202, Rattenmuskel121803,81504, intrazelluläre Konzentration (mmol/L) extrazelluläre Konzentration (mmol/L) Ruhe- potential (mV) Experimentell bestimmte Werte von Ionenkonzentration und Ruhepotential für einige Gewebearten

6 6 Die Potentialdifferenz ( U): 100 mV = 0.1 V Die Dicke der Membran ( x): 10 nm = m Die elektrische Feldstärke (E): Elektroporation (beruht auf einen reversiblen elektrischen Durchbruch der biologischen Membran): kV/cm-Bereich Die durchschnittliche elektrische Feldstärke der Erde in der Nähe der Erdoberfläche beträgt 130 V/m. Dieser Feldstärkewert liegt knapp unter jenem Wert, der einen dielektrischen Durchschlag der Membran hervorrufen würde. sehr gute Isolations- eigenschaften!

7 7 Die Feldstärke an der Membran beträgt 10 5 V/cm. Das grosse Feld entspricht der grossen Energiemenge, die in Form von elektrischen Potentialgradienten an der Membran gespeichert werden kann, und den äusserst starken elektrischen Kräften, denen Proteine in einer Membran ausgesetzt sein können. (Eine Spannung von Volt, die an einem 1 cm weiten Spalt anliegt, würde sich sofort in einem Bogen entladen.) 90 mV 0 mV –90 mV 10 nm extrazellulärer Raum intrazellulärer Raum Potential- gradient

8 8 Ladungsverteilung an der Membran beim Ruhepotential Der Überschuss an positiven Ladungen auf der Aussenseite und an negativen Ladungen auf der Innenseite der Zellmembran in Ruhe stellt nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtzahl aller Ionen innerhalb und ausserhalb der Zelle dar.

9 9 Die Membran wirkt wie ein Kondensator Ladung (Q): 6*e = 6*1.6* C = = 9.6* C C Spannung (U) = 100 mV = 0.1V Fläche = 1 nm * 1 m = m 2 Kapazität (C) = Q/U = F spezifische Kapazität = C/Fläche = = F/m 2 = F/cm 2 = 1 F/cm 2 6 K + Ionen sind durch die Membran aus der Zelle diffundiert Membrankapazität

10 10 Diffusion von Ionen durch eine Membrane Im Gleichgewicht: c1c1 c2c2 c 1 > c 2 Kation + mobil Anion immobil (p = 0) 1 > 2 T T F= C/mol Faraday-Konstante Wiederholung

11 11 Donnan-System Im Gleichgewicht: c1c1 c2c2 c K,1 > c K,2 Kation + mobil Anion immobil (p = 0) T T Anion mobil für die mobilen Ionen: c A,1 < c A,2 Donnan-Spannung Wiederholung

12 12 Die elektrochemische Potentiale sind im Gleichgewicht auf beiden Seiten der Membran gleich. Die Gleichung ( ) muss für die mobile Ionen gesondert gelten. Donnan-/Gleichgewichts-Modell Gewebegemessene Wert (mV) Donnan, K + (mV) Donnan, Cl – (mV) Tintenfisch- Riesenaxon Froschmuskel Rattenmuskel gute Übereinstimmung

13 13 Zwischen der Aussen- und Innenseite der Membran besteht eine konstante Konzentrationsdifferenz, die einen ebenfalls konstanten Materialtransport durch die Membran bedingt. Das Modell beschäftigt sich nicht mit den Prozessen (Ionenpumpen, Ionenkanäle), welche die Konzentrationsdifferenz auftrechterhalten. Nach dem Transportmodell nehmen die Ionen an den Transportprozessen teil, ihreWanderung durch die Membran wird in unterschiedlichem Ausmass behindert, und so entsteht auf den beiden Seiten der Membran eine elektrische Doppelschicht. Das Ruhepotential ist gleich der Potentialdifferenz, welche die Doppelschicht charakterisiert. Das Transportmodell

14 14 Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung Gewebep Na pKpK p Cl gemessene Wert (mV) GHK (mV) Tintenfisch- Riesenaxon Froschmuskel relative Permeabilitätskonstanten sehr gute Übereinstimmung

15 15 eine charakteristische Eigenschaft der lebenden Zelle eine Vorbedingung für den lebenden Organismus, um sich der Umgebung anpassen zu können bei höheren Organismen spezialisierte Zellen/Zellengruppen z.B. Muskelzellen, Nervenzellen Erregbarkeit

16 16 Wirkung von Rechteck-Stromimpulsen auf das Membranpotential Schwellenwert Ruhepotential HyperpolarisationHypopolarisation über dem Schwellenwert unter dem Schwellen- wert

17 17 Unter einem Aktionspotential versteht man eine kurzzeitige, in ganz charakteristischer Form ablaufende Abweichung des Membranpotentials einer Zelle von ihrem Ruhepotential. Aktionspotential

18 18 Die Änderung des Membranpotentials ist mit einer Änderung der Membranpermeabilität verbunden. Nach Überschreiten der Schwellenspannung steigt die Ionenpermeabilität der Membran sprunghaft an. Depolariasation: hierbei steigt die Natriumpermeabilität an: Einstrom von Na + -ionen in die Zelle. Die zunehmende Depolarisierung erhöht die Membranpermeabilität, wodurch die Depolarisation weiter beschleunigt wird (positive Rückkopplung). Repolarisation: Kaliumpermeabilität zunimmt, sinkt die Natriumpermeabilität, K + -ionen strömen aus der Zelle heraus.

19 19 Aktionspotential einer Zelle mit einem Ruhepotential von ca. -60 mV. Der Nervenimpuls dauert bis zur vollständigen Wiederherstellung des Ruhepotentials mehrere Millisekunden.

20 20 Ionenleitfähigkeit und Aktionspotential (idealisiert)

21 21 Aktiver Transport: gegen Richtung der Konzentrations- gradienten wird Arbeit geleistet: Na + -Auströmung, K + -Einströmung Energie vom aktiven Transport stammt aus Stoffwechselprozessen (ATP ADP).

22 22 Nach dem Abklingen von AP ist das Axon für eine kurze Zeit nicht mehr erregbar. Diese Dauer, die Refraktärzeit, ist bestimmt durch die Zeit, die die spannungsabhängige Natriumkanäle zur Wiederaktivierung benötigen. Während der absoluten Refraktärphase kurz nach dem Aktionspotential, wenn die Repolarisation noch im Gange ist, können diese Kanäle überhaupt nicht wieder öffnen. (Der Schwellenwert liegt bei Unendlich.) Während der relativen Refraktärphase benötigt man stärkere Reize. Hier bewegt sich der Schwellenwert von Unendlich wieder auf seinen normalen Wert zu. Refraktärzeit

23 23 Reizstärke und der Frequenz von AP Reizstärke unter dem Schwelelnwert: kein AP grössere Reizstärke grössere Frequenz von AP

24 24 Weber-Fechner Gesetz: Psychophysikalische Gesetze Wie hängt die Empfindungsstärke von der Intensität Reizstärke ab? Stevens Gesetz: Empfindungsstärke Frequenz von AP Wiederholung

25 25 ELEKTROKARDIOGRAMM (EKG): Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Spannung U(t), die zwischen bestimmten Punkten der Körperoberfläche (Ableitungsstellen) infolge der elektrischen Tätigkeit der Herzmuskulatur auftritt. Biophysikalische Grundlagen der EKG Elektrokardiograph, Cambridge Die Messelektroden sind Gefäße mit Kochsalzlösung, die von der Erde isoliert sind.

26 26 Multipol-Reihenentwicklung. Man kann das elektrische Feld einer beliebig komplizierten Ladungsverteilung erhalten, indem man die Feldsumme aus einer zweckmäßig gewählten Ladung (Monopol), einem zweckmäßig gewählten Dipol, einem zweckmäßig gewählten Quadropol, einem zweckmäßig gewählten Oktopol usw. bildet. Da die Abhängigkeit der einzelnen Glieder vom Abstand ihrer Felder sehr unterschiedlich ist – das Feld des Dipols nimmt mit steigendem Abstand bedeutend stärker ab als das Feld des Monopols, das Feld des Quadropols nimmt stärker ab als das Feld des Dipols usw. –, muss man nicht viele Glieder berücksichtigen, wenn man das Feld der Ladungs-verteilung im Herzen an der Körperoberfläche in einem gegebenen Moment charakterisieren will. Die Zahl der positiven und negativen Ladungen im Herzen ist zwar sehr groß, aber es gibt gleich viele positive und negative Ladungen. So ist bei der Addition der Wert des zweckmäßig gewählten Monopols Null. So ist der erste Summand, dessen Wert nicht Null ist, das Dipolglied. Die weiteren Glieder können aus dem erwähnten Grund außer Acht gelassen werden. Ergänzungsmaterial

27 27 Ergänzungs- material Multipol- Reihen- entwicklung

28 28 Die elektrische Tätigkeit des Herzens kann mit einem Dipol modelliert werden

29 29 Feldlinien eines Dipols und zwei gleicher Ladungen Dipol (Zweipol): zwei räumlich getrennt auftretende Ladungen gleicher Grösse aber unterschiedlichen Vorzeichens (EKG!) Wiederholung

30 30

31 31

32 32 Die Ableitung der Signalformen bei Depolarisation und Repolarisation der Skelett- bzw. Ergänzungs-material

33 33

34 34 Das EKG ist die Summe der Vorhof- und Kammersignale

35 35 Die Standardableitung en nach Einthoven und die Konstruktion des Integralvektors INTEGRALVEKTOR: Streng genommen wird der räumliche Vektor, der das elektrische Feld des Herzens charakterisiert, als Integralvektor bezeichnet. Salopper wird auch seine frontale Projektion, die im Einthoven-Dreieck konstruiert wird, als Integralvektor bezeichnet.

36 36 Unipolare Ableitungen nach Wilson DIFFERENTE (AKTIVE) ELEKTRODE: Eine Elektrode, deren Potenzial sich während des Herzzyklus kontinuierlich ändert. INDIFFERENTE (INAKTIVE) ELEKTRODE: Eine mit dem Körper elektrisch gekoppelte Elektrode, deren Potenzial annähernd konstant ist UNIPOLARE ABLEITUNG: Sie dient dem Registrieren der Potenzialdifferenz zwischen einer differenten und einer indifferenten Elektrode. BIPOLARE ABLEITUNG: Sie dient dem Registrieren der Potenzialdifferenz zwischen zwei differenten Elektroden. z.B. Einthoven

37 37 Unipolare Ableitungen nach Goldberger

38 38 RA Erstellung eines EKGs

39 39 Der Differenzverstärker unterdrückt die Gleichtaktsignale

40 40 Vektorkardiogramm. Die räumliche Bahn des Integralvektors und seine Projektionen bzw. die Ableitungen in der x-, y- und z-Richtung.


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