Elektrophysiologie der Nervenleitung

Präsentation zum Thema: "Elektrophysiologie der Nervenleitung"—  Präsentation transkript:

1 Elektrophysiologie der Nervenleitung
Elektrostatik der Nervenleitung (Nernst-Potential, Goldman-Gleichung Elektrodynamik (Aktionspotentiale, Hodgkin-Huxley Gleichung) Fortpflanzung der Aktionspotentiale entlang des Axons (Kabelgleichung) Vereinfachte Modelle (Fitzhugh-Modell) H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

2 H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

3 Das Nernst-Potential ! Im Gleichgewicht: Vergl. BPE§4 H.Gaub / SS 2007
, permeabel für Spezies i Im Gleichgewicht: ! H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

4 Gradient des Chemischen Potentials treibt diffusiven Transport!
„Chemische Kraft“ Kompensiert durch Reibung Einstein mit Diffusionsstrom H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

5 Gradient des Chemischen Potentials treibt diffusiven Transport!
Verd. Lösung 1 dim 1. Fick‘sche Gesetz H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

6 Das Elektrochemische Potential
Ion i habe chemisches Potential und elektrisches Potential Elektrochemisches Potential Allgemein Planck-Nernst Gleichung 1d verd.Lsg: H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

7 Das Nernst-Potential (Gleichgewichtspotential)
Thermodyn GG => ji= 0 Potentialabfall über Membran der Dicke ∆x T=310K: Nernst-Potential [mV] H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

8 Planck Potential (Diffusionspotential)
Salz cs dissoziiere gemäss z.B. Mg Cl2 <=> Mg Cl- mit und Elektroneutralität Kopplung der Ströme H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

9 Planck Potential (Diffusionspotential)
und weil Planck- Potential H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

10 Das Donnan-Potential Donnan-Potential Beitrag durch osmotische Druck:
Partielles Molvolumen Wasser-Permeation Immobile Makroionen bauen osmotischen Druck auf Im GG gilt für jede Ionensorte Donnan-Potential H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

11 Das Donnan-Potential + Ladungsneutralität: Membran + - 1 2
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12 Beispiel: Proteine im Blutplasma
Salz dominiert durch NaCl: cNa=cCl=c1=155 mM im Blutplasma Proteine mit cp=1 mM z = -18 ≈ -1.5mV Das Donnanpotential ist für das Potential von Neuronen in 1. Näherung vernachlässigbar ! H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

13 Verhältnisse in realen Nervenzellen
Tatsächliches Ruhepotential: ca. -65 mV offensichtlich befinden sich Nervenzellen nicht in einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand. - Da sich jedoch im Ruhezustand die Konzentrationen auf ein festes Niveau einstellen haben wir einen stationären Zustand - offensichtlich muß es permanent Ionenströme über die Membran geben, die sich in der Summe aufheben. H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

14 Die Goldmann-Gleichung
Ziel: Beschreibung der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Membran mit aktiver Ionen-Pumpe und „passivem“ Diffusionsstrom jact jfunct jdiff innen ci für jede Ionensorte weil H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

15 P { Permeabilität { v red. Pot mit red. Nernst.Pot.
Außenseite Innenseite Integrieren mit Randbedingung: P { Permeabilität { v red. Pot mit red. Nernst.Pot. H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

16 Nichtlineare Leitfähigkeit !
v Strom-Spannungs Charakteristik einer Ionenspezie für verschiedene Nernstpotentiale l(v) Nichtlineare Leitfähigkeit ! H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

17 Im Fliessgleichgewicht muss der Gesamtstrom 0 sein:
Goldmann- Gleichung H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

18 Kalium dominiert das Ruhe-Potential
Welches Ion bestimmt das Membranpotential? Ruhewert ≈ - 65 mV Squid-Axon Potential bei Variation der äusseren Kaliumkonzentration / Dekade mM Kalium dominiert das Ruhe-Potential H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

19 Bestimmung der Permeabilitäten
Messung des Membranpotentials als Funktion der Konzentration einer Spezies bei fehlenden Konzentrationsgradienten der anderen Spezies Im Ruhezustand: PK/PNa≈ PK/PCl ≈ 15 H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

20 The resting potential, generated mainly by open “resting” K+ channels, is close to the Nernst-Potential of K H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2

21 Opening and closing of ion channels cause predictable changes in the membrane potential
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22 Die Natrium-Kalium ATPase
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23 Wie groß ist das stöchiometrische Pumpverhältnis des Na/K-Atpase?
ATPase-Aktivität H.Gaub / SS 2007 Antwort: 2 Kalium Ionen pro 3 Natrium Ionen BPZ§4.2

24 Welchen Wirkungsgrad hat die Na/K-ATPase?
- Ruhepotential: ´-60 mV - Nernstpotential K+: -75 mV - Nernstpotential Na+: 55 mV Benötigte Energie zur Verschiebung von 3 Na+ und 2 K+ Ionen über die Membran: Energie, die aus der Hydrolyse eines ATP-Moleküls gewonnen werden kann: Extrem hoher Wirkungsgrad! 2/3 des Energiehaushalts einer Nervenzelle wird für die Aufrechterhaltung der Konzentrationsgradienten aufgebracht H.Gaub / SS 2007 BPZ§4.2