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

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

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

Elektrische Feldstärke Ruhepotenzial mV 40 -60 -90 Na+ 15 mmol/l Na+ 150 mmol/l Anionen 155 mmol/l Cl- 155 mmol/l K+ 140 mmol/l K+ 5 mmol/l Elektrische Feldstärke I A 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.

U = kT / e · ln (cInnen / cAussen) Spannung zwischen Bereichen unterschiedlicher Konzentrationen: Die Nernst Gleichung U = kT / e · ln (cInnen / cAussen) mV Spannung über der Membran T K Temperatur cInnen mol/kg Konzentration im Innern der Zelle cAussen Konzentration außerhalb der der Zelle k = 1,38 ·10-23 J/K Boltzmannkonstante e = 1,60 ·10-19 C Elementarladung  Spannungsveränderungen erfordern den Transport einiger Teilchen: Im Vergleich zu elektronischer Leitung langsamer, aber sehr stabiler Spannungsaufbau, unabhängig von äußeren Feldern

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

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

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