"Potentiale"

EIDM · Anmeldungsdatum: 27.01.2011 Beiträge: 51

Hallo ich bins wieder mit dem nächsten Thema :-)

Habe wieder 2 Bilder angehängt. Es geht diesmal um den Zusammenhang zwischen Membran und Elektrizität.

Bitte betrachtet das erste Bild. Eine Membran ist also modellierbar als ein ohmscher Widerstand und ein Kondensator. Warum? Wie kann ich das verstehen? Ich lese auch öfter, dass eine Membran ein extrem guter elektrischer Isolator sei, wie passt das zusammen?

Wenn ich dann also die Stromstärke erhöhe, erhöht sich die Spannung von intra nach extrazellulärraum exponentiell bis zur Sättigung. Warum?

Die Erklärungen müssen nicht super tief gehen, es reicht wenn ich das Prinzip verstehe, denke ich :-)

Beim zweiten Bild geht es im Prinzip um das gleiche, denke ich. Wenn ich das richtig sehe, misst man die SPannung an mehreren Punkten in der Membran, die immer weiter von der Stromquelle wegliegen und man sieht, dass Spannungspeaks immer geringer werden, richtig so?

Erstmal bis hierhin :-)
Danke!

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

EIDM · Anmeldungsdatum: 27.01.2011 Beiträge: 51

Hi und guten Mogen!

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

Sieht im Groben schon mal ganz gut aus.
eineige Ergänzungen zu den Ionenverteilungen: Im Zellinneren ist die Konzentration von K recht hoch, im Extrazellulärraum überwiegt Natrium. Zusätzlich existiert intrazellulär auch eine hohen Konzentration negativ geladener (v.a. Aminosäure- und Oligopeptid-) Anionen.

Vernachlässigt man nun jede Art von "Ruheströmen" über die Membran, entsteht das sogenannte Donnan- Gleichgewicht mit einer Membranspannung von ca. -10mV. Dieses findet sich z.B. in Erythrozyten und wird hier durch intrazellulär anfallendes Bikarbonat "gestört", so dass es über Chlorid- Diffusion wieder hergestellt wird.
Dieses kommt dadurch zustande, dass ein chemischer Gradient das Bestreben eines Konzentrationsausgleiches aufweist und ein elektrischer Gradient das des Ladungsausgleiches. Ein "Gesamtgleichgewicht" liegt dann bei dem o.g. Donnan- Potential.
Da nun Ionen in diesem Beispiel nicht über die Membran wandern können und positv geladene Teilchen und negativ geladene Teilchen sich gegenseitig "'anziehen", lagern sich die Ionen auf beiden Seiten der Membran an und erzeugen so eine Spannung.

Nun wissen wir, dass bei den meisten Zellen das Ruhemembranpotential einen höheren negativen Wert aufweist, nämlich bis zu ca. -100mV (bei Herzmuskelzellen, manche Autoren legen hier auch einen Wert von -90mV zugrunde, bei Nervenzellen sind es so -70- -80mV) . Dies entspricht in etwa dem Kalium- Gleichgewichtspotential (-90mV).
Dieses Potential wird durch einen Kaliumstrom aufrechterhalten durch nicht- spannungsgesteuerte Kaliumkanäle, die sog. "Einwärtsgleichrichter" (heissen "Einwärtsgleichrichter", weil theoretisch negative Ladungen nach innen transportiert werden) sowie die sog. "Kaliumhintergrundkanäle", die Kalium von innen nach aussen transportieren. Dadurch wird es aussen positiver und innen negativer. Diese Kanäle werden erst bei stark negativen Spannungen deaktiviert.

Am Rande: Die Inaktivierung der Einwärtsgleichrichter entsteht durch die in dem anderen thread besprochenen "Blockierung" bei ca. -70mV (also 20mV über dem Kaliumgleichgewicht). Der blockierende Stoff ist hierbei das Polykation Spermin, das in der Eingangsdomäne der Gleichrichter bindet, damit kein Kaliumstrom mit der Depolarisation interferiert.

Zur Berchnung der Potentiale kann die Nernst- Gleichung , wenn nur ein diffundierendes Ion zugrund gelegt wird, bzw. die Goldman-Gleichung bei mehreren diffundierenden Ionen hinzugezogen werden.

Die Na- K- Pumpe ist zur Wiederherstellung der Ausgangsverteilung von Ionen zuständig nach erfolgter De- und Repolarisation.

EIDM · Anmeldungsdatum: 27.01.2011 Beiträge: 51

hi jörg!

Danke soweit schonmal!

Das Problem ist, dass du natürlich nicht sehen kannst, wie unsere Vorlesung aufgebaut ist und was wann dran kommt. Beispielsweise kam bis zu dem Zeitpunkt wo ich jetzt gerade dran bin nichts mit Spannungsgesteuerten Kanälen vor. Es ist daher für mich ein bisschen schwierig das immer alles zusammen zu mixen, verstehst du was ich meine?
Auch kam die Goldman-Gleichung (noch?) nicht dran, sondern nur die Nernst-Gleichung. Wir scheinen nämlich momentan so zu tun, als würde Na+ die Membran nicht passieren können, höchstens durch kleine Leckströme.

Ich habe mir überlegt ich schreibe mal ein paar Fakten auf, die ich glaube gelernt zu haben, und dazu auch noch ein paar Fragen. Vielleicht lassen sich diese Fragen auf Grundlage der Fakten beantworten? Wenn nicht ist vielleicht zusätzliches Wissen nötig, was wir noch nicht hatten. Dann muss man da vorsichtig sein, dass ich das auch verstehe ;-)

1. Eine Membran ist modellierbar als Parallelschaltung von Kondensator und ohmschem Widerstand.
2. Je größer die Zelle ist, desto weniger Widerstand hat sie und damit ist die abfallende Spannung an ihr kleiner.
3. Eine lebende Zelle hat ein Membranpotential von -70 - -80mV (wir beziehen das wohl auf Neuronen)
4. Ionen haben Einfluss auf das Membranpotential. Kippt man nämlich zusätzlich K+ in die Badlösung wird es betragsmäßig kleiner
5. Extrazellulär ist besonders viel Na+, Intrazellulär viel K+
6. Geht man davon aus, dass nur K+ durch die Membran diffundiert, ensteht das Membranpotential aus einem Gleichgewicht von elek. Feldspannung und Konzentrationsgradient
7. mit der Nernstschen Formel kann man die "Gleichgewichtsspannung" berechnen, wenn man nur eine Ionensorte als permeabel betrachtet.
8. Kalium bestimmt das Membranpotential, denn es ist sehr ähnlich zum Nernst-Potential von K+
9. Das heißt, dass Kalium im Normalzustand sehr gut permeabel ist
10. Zellmembranen sind nicht ideal selektiv permeabel, denn bei geringen Kaliumkonzentrationen weicht das Membranpotential von den Berechnungen ab -> Andere Ionen haben Einfluss!
11. WÄRE die Membran für Na+ permeabel würde das Membranpotential positiver
12. Leckströme sorgen dafür, dass das Membranpotential eigentlich auf 0 absinken müsste
13. Die Na-K-Pumpe halt die Konzentrationsdifferenz von Na und K unter dem Einsatz von ATP aufrecht.

So, eigentlich müsste das alles so grob stimmen (vermutlich vereinfacht).

Fragen:
- Im Normalzustand ist Na+ also kaum permeabel richtig?
- Zurück zu Bild 1: Warum jetzt nochmal genau die Sättigung? Kann ich mir das so vorstellen, dass der "Membrankondensator" am Ende aufgeladen ist, und sich dadurch der Strom und das elek. Feld die Waage halten?
- Bild 2: Versteh ich leider auch noch nicht. Aber vielleicht können wir das noch nicht. Irgendwie müssten doch eigentlich nach der Maschenregel alle Spannungen gleich sein? .... schämen

Wenn das alles so ok ist, Fragen geklärt / auf später verschoben wurden, können wir uns dann den Aktionspotentialen und Kanalströmen zuwenden!

Danke!

PS. Puh, ich brauch für den Kram ganz schön lange, hoffentlich schaff ich das alles bis zur Klausur :-P

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

EIDM · Anmeldungsdatum: 27.01.2011 Beiträge: 51

Das Aktionenpotential:

Fakten:
1. Zeitlicher Ablauf: Depolarisation, Overshoot, Repolarisation, Hyperpol, Ruhemembranpotential
2. Die Membranschwelle von -70 bis -30 mV muss überschritten werden, damit das Aktionspotential ausgelöst wird
3. Alles oder Nichts Gesetz: Wird die Schwelle überschritten -> alles raushauen, wenn nicht -> passiert gar nix.
4. Die Dauer des APs variiert zwischen Zellentypen recht stark!

5. Schnelle Na+ Kanäle haben einen Tormechanismus. Ist der Öffnungszustand von externen (oder internen?) Mechanismen abhängig?

Kanalströme:
Da bleibe ich hängen. Glaub so viel fehlt aber nicht mehr :-P
Bitte wieder die 2 Bilder angucken.

1.
a) Was genau ist die geklemmte Membranspannung? Ich dachte damit kann man irgendwie die Spannung festhalten zum Untersuche, aber wie hängt die da dargestellte Spannung mit einem AP zusammen? In welcher Phase sind wir da?

Was genau passiert hier? Welche Fakten kann ich aus diesem Bild ziehen?

2. Muss ich vermutlich 1 für verstehen. Was genau bedeutet g(Na) und g(K)?

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

EIDM · Anmeldungsdatum: 27.01.2011 Beiträge: 51

chefin · Organisator Anmeldungsdatum: 28.04.2004 Beiträge: 1549 Wohnort: Oberhausen

Schau mal hier: http://www.youtube.com/watch?v=gBIwWKwIuAI&NR=1
Der Oberhausen hat noch zwei weitere Filme reingestellt, die das AP und die Membranspannung gut erklären.

EIDM · Anmeldungsdatum: 27.01.2011 Beiträge: 51

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

EIDM · Anmeldungsdatum: 27.01.2011 Beiträge: 51

Ja, danke, soweit habe ich alles verstanden!

Nur noch eine Sache scheine ich doch noch durcheinander zu bringen:
Bisher hatte ich es so verstanden, dass beim Ruhepotential Kalium Ionen über die Membran hinweg hin und her diffundieren (raus wegen Konzentrationsgradient, rein wegen elektrischer Feldkraft). Beim Ruhepotential hält sich das genau die Wiege. (so wars auch in der VL auf einer Folie, allerdings wieder nur ein Experiment..)

Nun hast du ja gesagt, dass Kaliumionen hauptsächlich AUSströmen (dann gegen die elektrische Feldkraft) Aber irgendwas muss ja wieder einströmen, denn schließlich muss doch die gleiche Anzahl Ladungen rein und raus? (Kalium ja anscheinend weniger, wenn Kaliumkanäle Gleichrichter sind...)

Wenn ich das verstanden habe, kann ich mich der nächsten Vorlesung zuwenden! ;-)

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

Gehen wir noch einmal vom Donnan- Potential aus:
Im Gleichgewicht aller chemischen und elektrischen Kräfte unter der Annahme, dass kein Ion die Membran passieren kann, hat das Ruhepotential einen Wert von -10mV.
Damit es nun stärker negativ werden kann, müssen Ionen diffundieren. Dies sind hauptsächlich Kalium- Ionen. Damit nähert sich das Ruhepotential dem Gleichgewichtspotential für Kalium an, welches bei ca. -90mV liegt.
Mit diesem Strom und der Na-K- Pumpe kann das Ruhepotential erklärt werden.
Wie gesagt, es existieren Na- Leckströme, doch die sind zu vernachlässigen.

EIDM · Anmeldungsdatum: 27.01.2011 Beiträge: 51

hi!

nein, das überzeugt mich noch immer nicht.
Ich verstehe ja, dass Kalium ausströmen muss, um auf das Ruhepotential zu kommen, aber dann verstehe ich nicht, wie das Ruhepotential gehalten werden kann!

Ich dachte, dass ab dem Ruhepotential elek. Feldkraft und Konzentrationsunterschied genau gleich stark sind (stimmt ja wohl auch) und dadurch ab -80mV oder was auch immer gleich viele K+ rein und raus gehen (denn dann würde die SPannung doch gehalten)
Nun sagst du aber, dass K+ eigentlich so gut wie nur raus geht, und auch indem youtube video http://www.youtube.com/watch?v=wYfIsp-dOI0 klingt es so. Allerdings hemmt die elek. Feldkraft wohl die Kaliumionen vom rausgehen, also fließt dann so gut wie kein Kalium mehr raus? (also so ziemlich nix rein und raus, dann würde die SPannung auch gehalten)

Was ich mir auch noch vorstellen könnte wäre, dass das Ruhepotential nur durch die Na-K-Pumpe gehalten werden kann, weil halt K+ immer noch etwas rausströmt, und die Pumpe die wieder reinpumpt

Verstehst du noch immer mein Problem? Das HALTEN hakt immer noch... :-(

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

O.k., sorry, dann habe ich wohl an deinem Problem vorbeigeredet.

Natürlich ist es so, dass, wenn das Gleichgewichtspotential für Kalium erreicht ist, erstmal nicht mehr so viel Ionenströme über die Membran stattfinden.
Kalium diffundiert nicht mehr, weil ja im "Idealfall" sein Gleichgewichtspotential erreicht ist. Bei Ruhepotentialen >-90mV findet aber praktisch noch ein Kalium- Ausstrom statt; dieser wird tatsächlich von der Na- K- Pumpe kompensiert.

Tatsächlich gerät dieses aber stets durch (v.a. Na-) Leckströme geringfügig durcheinander, so dass die Na- K- Pumpe diese Leckströme ausgleicht.

Der Na- Leckstrom ist dabei zelleinwärts gerichtet und würde langsamm zu einer Verschiebung des Membranpotentials in Richtung Depolarisation führen, Natrium muss also wieder raustransportiert werden.
Dies bewerkstelligt die Na- K- Pumpe. Damit wird Kalium aber wieder in die Zelle transportiert, kann diese jedoch über die Gleichrichter wieder verlassen und hält somit das Ruhepotential aufrecht.

Ist dieses Problem damit behoben?

EIDM · Anmeldungsdatum: 27.01.2011 Beiträge: 51

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

Berücksichtige, dass hier eine unipolare Ableitung vorliegt (die Messelektrode liegt extrazellulär) und diesmal der elektrische Strom dargestellt ist und nicht der Ionenstrom.

Ein Ionen- Auswärtsstrom entspricht dabei einem elektrischen Einwärtsstrom (deswegen heissen die K- Kanäle Einwärtsgleichrichter, obwohl sie K ja aus der Zelle heraustransportieren).

Wie interpretierst du die Abbildung nun?

EIDM · Anmeldungsdatum: 27.01.2011 Beiträge: 51

Hi!

Zum Unterschied elektrischer Strom vs Ionenstrom:
Eigentlich hängen die beiden doch unmittelbar zusammen, oder? Ist der elektrische Strom nicht einfach definiert als Bewegung der positiven Ladungsträger(=Ionen)? (so steht es zumindest in unseren Materialien, oder ist das etwas anderes als der Membranstrom? Wundert mich eigentlich auch ein bisschen, malt man doch sonst immer negative Elektronen für den elektischen Strom.. grübelnd

)

Ich verstehe nicht worauf du hinauswillst :-( Der zweite, größte Peak wird doch wohl der Na+ Einstrom sein? D.h. positive Ladungsträger fließen von der Messelektrode weg....und damit registriert man einen negativen Strom? ..

Wie du merkst bin ich wohl nicht so auf der Höhe, was Physik angeht (Strom und Spannung ist immer etwas abstrakt für mich..)

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

EIDM · Anmeldungsdatum: 27.01.2011 Beiträge: 51

Ich nehme jetzt mal an, dass ein "elektrischer Vektor" auf die Messelektrode zu bedeutet, dass dieser Strom dann auch positiv abgetragen wird.

jörg · Anmeldungsdatum: 12.12.2010 Beiträge: 2107 Wohnort: Bückeburg

Also bevor das hier durcheinandergerät, fasse ich mal kurz zusammen (mir ist dummerweise nämlich auch ein Denkfehler unterlaufen, indem ich annahm, die Abbildung sei mit den Transmembranströmen zu erklären... Hammer

):

Wir wissen, dass der Summenvektor eines elektrischen Feldes von neg. nach pos. verläuft (entsprechend dem "virtuellen Elektronenstrom").
Wir messen hier nicht den transmembranösen Strom, sondern Potentialunterschiede des Extrazellularraumes zur "neutralen Erde", die Nullinie ist dabei die "Eichungslinie".

Anmerkungen zu unipolaren Ableitungen: Sie können Potentiale über grosse Strecken erfassen, machen es jedoch unmöglich, die absoluten Amplituden einzelner Entladungen oder absolute Veränderungen im Membranpotential zu erfassen. Damit lassen sich nur Aussagen über elektrische Feldvektoren, also die "Stromliniendichte" in einem Bereich machen.

So, nun nehmen wir an, ein Reiz liefe von rechts nach links im Axon entlang. Diese Annahme machen wir, damit wir graphisch (extrazellulär verhält es sich andersherum als im Axonverlauf!!) die gewohnte Zeitachse von links nach rechts beibehalten können.
Noch einmal: Wir messen nicht die transmembranösen Ionenströme!!!

Dann repräsentiert der 1. peak die Stromlinien des Areals, in das sich der Reiz fortpflanzt (extrazellulär pos. zur Erde), der 2. peak die des Areals maximaler Erregung (neg. zur Erde) und der 3. peak das Areal, aus dem der Reiz kommt (auch pos. zur Erde).

Die Stromlinien fliessen dabei intrazellulär vom Ort der maximalen Erregung weg, extrazellulär aber auf ihn zu.

Dabei korreliert natürlich wie du sagtest, der zweite peak mit der maximalen Offenheitswahrscheinlichkeit für Na- Kanäle, du musst dich allerdings davon lösen, dass hier ein Ionenstrom über die Membran dargestellt ist, denn wir leiten ja nicht von intra- nach extrazellulär bzw. entlang des Axons ab, wie das in den früheren Abbildungen der Fall war.

Nochmal Entschuldigung, dass ich dich quasi auf die falsche Fährte geführt habe....

edit: was mir noch als plastische Betrachtungsweise in den Kopf kam: Die beiden ersten Ausschläge können quasi als Erregungsausbreitung und der 3. peak als Erregungsrückbildung aufgefasst werden (ist nicht ganz richtig, man kann es sich aber so vorstellen).