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Aktionspotentiale von Nervenzellen und das Hodgkin-Huxley - Modell.

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Präsentation zum Thema: "Aktionspotentiale von Nervenzellen und das Hodgkin-Huxley - Modell."—  Präsentation transkript:

1 Aktionspotentiale von Nervenzellen und das Hodgkin-Huxley - Modell

2 einige Typen von Nervenzellen:

3 Synaptische Kopplung: Erregung oder Hemmung

4 axonal-dendritische Verbindung, Signalwege

5 charakteristisches Aussehen des Aktionspotentials

6 wie kommen das Ruhe- bzw. Aktionspotential zustande ? chemischer Konzentrationsgradient elektrischer Ladungsunterschied der Teilchen (Ionen) semi-permeable Membran (->Diffusion)

7 innen außen Kationen (zB Kalium) größere organische Anionen Ionenbewegungen an der Membran BILANZ = - 12

8 Ionenbewegungen an der Zellmembran BILANZ = - 8

9 Ionenbewegungen an der Zellmembran BILANZ = - 4

10 Ionenbewegungen an der Zellmembran Ruhepotential für Kalium erreicht BILANZ = 0

11

12 R … Allgemeine Gaskonstante R = 8,3143 J / (mol·K) T … Temperatur in Kelvin c(Ai), c(Aa) … Stoffmengen-Konzentrationen des Stoffes A innen, außen Das Chemische Potenzial (Nernst – Gleichung) : Goldman – Gleichung (für unterschiedliche Ionenarten) :

13 Ionenartc(innen)c(außen) Kalium K Natrium Na Chlorid Cl org. Anionen 4600 Konzentrationen der vier wichtigsten Ionensorten, die beim Ruhepotenzial eine Rolle spielen Konzentrationen im Intra- und Extrazellulärraum:

14 Modell der Zellwand mit Transmembranproteinen :

15 Depolarisation Hyperpolarisation

16 Herstellung des Ruhemembranpotentials durch die Na/K - ATPase

17 Das Modell von Hodgkin und Huxley (1952) Alan Hodgkin Andrew Huxley Erforschung des Tintenfisch-Axons Verwendung der Voltage-Clamp Technik -> Isolierung der Kanalströme für Na und K Entwicklung eines Modells für die Funktion der Kanäle und die AP-Entstehung

18 Cm: Kapazität der Zellmembran GNa, GK: spannungsabhängige Leitwerte der Kanäle ENa, Ek: Gleichgewichtspotential von Na bzw. K Gm: Leitwert der passiven Kanäle, Vrest: Ruhemembranpotential Elektrisches Ersatzschaltbild für die Membran

19 Änderung der Spannung an der Membran ist proportional zum Gesamtstrom der in bzw. aus dem Kompartment fließt: Die auftretenden Ionenströme sind bestimmt durch die spannungsabhängige Leitfähigkeit des entsprechenden Kanals und durch das Ruhepotential:

20 Bestimmung der spannungsabhängigen Leitfähigkeiten: Kurvenverläufe dritter bzw. vierter Potenz (empirisch durch Voltage Clamp gemessen) Einführung fiktiver Aktivierungspartikel (gating-Partikel) diese modellieren die Wahrscheinlichkeiten des Öffnens oder Schließens der Kanäle n : Wahrscheinlichkeit Aktivierungspartikel geöffnet (0

21 Modellierung des Kalium-Kanals: Gk … max. Leitfähigkeit des Kalium-Kanals Ek … Gleichgewichtspotential für Kalium Die Öffnung ist von 4 Aktivierungs-Partikeln abhängig, die alle gleichzeitig geöffnet sein müssen:

22 Modellierung des Natrium- Kanals: schwieriger, da dieser Kanal auch zeitlich inaktiviert wird -> Einführung eines Inaktivierungspartikels Öffnung Aktivierungspartikel m (m-gate) Schließen Inaktivierungspartikel h (h-gate) G Na : max. Leitfähigkeit des Na-Kanals E Na : Gleichgewichtspotential für Natrium m: Wahrscheinlichkeit Aktivierungspartikel aktiv h: Wahrscheinlichkeit Inaktivierungs-Partikel nicht aktiv

23 Leitwerte für Na (links) und K (rechts) bei konkreten Aktivierungsniveaus die Linie zeigt die Werte der Simulation, Kreise reale Messwerte Modell und reale Messung

24 Die vollständige Gleichung für die Änderung des Membran-Potentials :

25 Simulink- und Matlab Modelle

26 Cable Theory-Models Kopplung mehrerer Kompartments

27 Danke für die Aufmerksamkeit !


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