Grundlagen der Erregungsleitung in Nervenzellen Der Text in den Notizen stammt zum großen Teil aus: www.drd.de/helmich/bio Bildquelle: www.drd.de/helmich/bio Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

1) Das chemische Potenzial Um die Reizleitung in Nervenzellen zu verstehen, müssen wir drei Phänomene näher betrachten: 1) Das chemische Potenzial 2) Das elektrische Potenzial 3) Das elektrochemische Potenzial Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

1) Das chemische Potenzial durchlässige Membran                             12 zu 4 8 zu 8 Der Begriff "chemisches Potential" ist eine Umschreibung für "Konzentrationsunterschied". Da sich auf der linken Seite 11 Teilchen befinden, auf der rechten dagegen nur 3, ist der Unterschied hier 8. Das chemische Potenzial ist hier 8! Durch dieses chemische Potenzial angetrieben verteilen sich die Teilchen gleichmäßig im Raum, sodass auf beiden Seiten der Membran die gleiche Konzentration herrscht! Je höher das chem. Potenzial, umso größer ist die Kraft, welche die Teilchen zur anderen Seite drückt. Das chemische Potenzial ist hier 8 (12 – 4) Das chemische Potenzial ist hier 0 (8 – 8) Was wird passieren? Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

 das chemische Potential ist 0 Wie hoch ist das chemische Potenzial ? Kation Anion + - + + + - + + - - + - - - - + 8 : 8  das chemische Potential ist 0 8 : 8 Wie hoch ist das chemische Potenzial ? Hier sind auf beiden Seiten gleich viel Teilchen, das heißt das chemische Potenzial ist 0. Allerdings sind die Teilchen elektrisch geladen. Geladene Teilchen nennt man Ionen. Positiv geladene nennt man Kationen, negative Anionen. Allerdings sind die Teilchen elektrisch geladen. Geladene Teilchen nennt man Ionen. Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

2) Das elektrische Potenzial - - + - - - - + + - + + + - + + + - - + - + + - + - - + - + + - 6 + : 2+ 2 - : 6 – 4+ : 4 - 4 + : 4+ 4 - : 4 – 0 : 0 Obwohl kein chemisches Potenzial vorhanden ist, kommt es zu einer Ionenbewegung, weil auf beiden Seiten der Membran die elektrischen Ladungen nicht ausgeglichen sind. Unter dem elektrischen Potential verstehen wir einen anderen Begriff für "Ladungsunterschied" oder Spannung. Die Teilchen vermischen sich so, dass auf beiden Seiten der Membran die elektrischen Ladungen ausgeglichen sind. Das elektrische Potenzial ist hier 8 Das elektrische Potenzial ist hier 0 Was wird jetzt wohl geschehen? Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

Elektrische Potenziale sind mit Spannungsmessgeräten messbar. z.B. 1,5 Volt Wenn man 2 Elektroden in zwei Flüssigkeiten ungleicher elektrischer Ladung hält, ist eine elektrische Spannung messbar (Batterien funktionieren ebenfalls so). Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler Bildquelle: http://www.scheffel.og.bw.schule.de/faecher/science/biologie/nervenphysiologie/2ruhespannung/2ruhespannung.htm

Elektrische Potenziale sind mit Spannungsmessgeräten messbar. Eine elektrische Spannung kann am Oszillographen sichtbar gemacht werden. Bekannt ist diese Phänomen von den Oszillographen in Krankenhäusern (Intensivstationen), welche die Herzaktivität anzeigen. Bildquelle: http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/12/bs12-28.htm (verändert) Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

3) Das elektrochemische Potenzial ist eine Kombination aus chemischem und elektrischem Potenzial. Alle Bilder und der Inhalt der Folien 8 - 15 stammen von: www.drd.de/helmich/bio Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

3) Das elektrochemische Potenzial Stellen wir uns folgenden Fall vor: Glas mit Flüssigkeit Halbdurchlässige Membran (nur für durchlässig) Auf der linken Seite des Gefäßes befinden sich 12 große Anionen (negativ) und 12 kleinere Kationen (positiv). Die Membran, die die beiden Gefäßhälften trennt, kann nur die Kationen durchlassen. Membranen welche nur bestimmte Teilchen durchlassen können nennt man halbdurchlässig oder semipermeabel. Anion (mit negative Ladung) Kation (mit positiver Ladung) Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

3) Das elektrochemische Potenzial Wie groß ist das chemische Potenzial der Kationen ? der Anionen ? 12 12 Wie groß ist das elektrische Potenzial? Durch das chemische Potenzial angetrieben versuchen nun die Ionen, auf die andere Seite der Membran zu kommen. Links haben wir 12 negative und 12 positive Ladungen, die Gesamtladung links ist also 0. Da auf der rechten Seite überhaupt keine Teilchen anzutreffen sind, ist dort die Gesamtladung ebenfalls 0. Somit ist auch der Ladungsunterschied bzw. das elektrische Potential = 0. Das chemische Potenzial ist allerdings sehr groß (jeweils 12). Aufgrund der beiden chemischen Potentiale wollen jetzt sowohl die Anionen wie auch die Kationen nach rechts diffundieren (wandern). 12 + 0 + 12 - 0 – 0 0 Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

10 2 3) Das elektrochemische Potenzial Wie groß ist das chemische Potenzial der Kationen ? 10 Wie groß ist das elektrische Potenzial? 2 Das chemische Potential der Kationen ist kleiner geworden: 10 (11 - 1). Mit der Diffusion des einen Kations ist aber nicht nur ein Teilchen nach rechts gewandert, sondern zugleich auch eine Ladung. Auf der linken Seite haben wir jetzt 12 negative Teilchen und nur noch 11 positive, insgesamt also eine Ladung von -1. Auf der rechten Seite haben wir ein positives Teilchen, also eine Gesamtladung von +1. Die Ladungsdifferenz oder das elektrische Potential haben dann den Wert 2. Das chemische Potential der Kationen ist immer noch sehr groß, ein Konzentrationsausgleich liegt noch lange nicht vor. Also wird wohl ein weiteres Kation nach rechts diffundieren. 11 + 1 + 12 - 0 – -1 1+ Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

8 4 3) Das elektrochemische Potenzial Wie groß ist das chemische Potenzial der Kationen jetzt ? 8 Wie groß ist das elektrische Potenzial? 4 Das chemische Potential der Kationen ist noch kleiner geworden, und mit dem Transport einer positiven Ladung nach rechts ist das elektrische Potential im Gegenzug größer geworden. Aber noch ist das elektrische Potential nicht so groß wie das chemische Potential, welches die Kationen nach rechts treibt. Die Wahrscheinlichkeit, dass noch ein Kation nach rechts diffundiert, ist also noch recht groß. 10 + 2 + 12 - 0 – 2- 2+ Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

6 6 3) Das elektrochemische Potenzial Wie groß ist das chemische Potenzial der Kationen jetzt ? 6 Wie groß ist das elektrische Potenzial? 6 Jetzt ist das elektrische Potential genauso groß wie das chemische Potential der Kationen. Es hat sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt, das so genannte elektrochemische Gleichgewicht. 9 + 3 + 12 - 0 – 3- 3+ Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

ACHTUNG !!! 3) Das elektrochemische Potenzial 6 = 6 6 = 6 Chemisches Potenzial = Elektrisches Potenzial Es hat sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt, das sogenannte elektrochemische Gleichgewicht. Die Ionenkonzentrationen würden in diesem Fall gleich bleiben, weil sie sich im elektrochemischen Gleichgewicht befinden. Man könnte jetzt die elektrische Spannung für dieses Gleichgewicht messen und am Oszillografen anzeigen. 9 + 3 + 12 - 0 – 3- 3+ Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

3) Das elektrochemische Potenzial Betrachten wir die Schemazeichnung. Das chemische Potential wird mit der Zeit immer kleiner, weil die Kationen nach rechts diffundieren. Gleichzeitig wird das elektrische Potential immer größer. Zu einem bestimmten Zeitpunkt sind beide Potentiale gleich groß und einander entgegengesetzt, sie heben sich also auf. So, und jetzt - zum Abschluss - eine neue Definition des Begriffs "Ruhepotential": Das Ruhepotential einer Nervenzelle ist das elektrische Potential, die Spannung also, die man dann messen kann, wenn sich die Zelle im elektrochemischen Gleichgewicht befindet. Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler Elektrisches Potenzial einer Nervenzelle: Jede Zelle (ob Einzeller oder Vielzeller) hat ein bestimmtes chemoelektrisches Potenzial. Wissenschaftler haben es geschafft, das elektrische Potenzial von diesem Gleichgewicht mit einem Messgerät (Voltmeter) zu messen: Bei Nervenzellen ist diese Spannung 70 mVolt. Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler Bildquelle: http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/12/bs12-28.htm (verändert) Bildquelle: http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/12/bs12-28.htm/ verändert

Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler Das elektrische Potenzial von lebenden Zellen beträgt - 70 mVolt (Millivolt). Man nennt dieses Potenzial einer Zelle !! Das Ruhepotential einer Nervenzelle ist das elektrische Potential, die Spannung also, die man dann messen kann, wenn sich die Zelle im elektrochemischen Gleichgewicht befindet. Die messbare elektrische Spannung beträgt je nach Zelltyp zw. 60 und 90 mV. !! RUHEPOTENZIAL Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler

Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler !! !! RUHEPOTENZIAL Erstellt von Braun, Kunnert, Pichler