V27 - TU Chemnitz

Prof. C. von Borczyskowski
Physik I für CS +SK
27. Vorlesung
28.
Elektrische Felder in Organismen
28.1
Die Zelle als Batterie
28.2
Leitung von Aktionspotenzialen
28.3
Reizleitung
28.4 „Anwendungen“
28.4.1 Hören
28.4.2 Das Herz
Experimente: Leitung in Elektrolyten, Verstärkung
Internet:
http://www.bio.vobs.at/physiologie/a-neuro-1.htm
http://www.friedensburg.cidsnet.de/fachbereiche/naturwissenschaften/jugend_forscht_ag/syna
psen.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Nervenzelle
http://www-med-physik.vu-wien.ac.at/physik/ws95/w95e0dir/w95e4000.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrokardiogramm
http://www.kardionet.de/herz/erregungsleitungssystem.php
http://www.sinnesphysiologie.de/gruvo03/muskel2/herz.htm
http://www.sinnesphysiologie.de/gruvo03/gruvoin.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Patch-Clamp-Technik
Elektrische Felder In Organismen
4m
3m
Die Zelle als Batterie
http://www.sinnesphysiologie.de/gruvo03/gruvoin.htm
Die Zelle als Batterie
Zellmembran
Wie entsteht das Membranpotenzial ?
Erster Mitspieler: Die Na+- K+-Pumpe
~ 100 Zyklen / s
140 mM K+
5 mM K+
15 mM Na+
140 mM Na+
Zweiter Mitspieler: Ein Ionenkanal
140 mM K+
5 mM K+
15 mM Na+
140 mM Na+
K+-Ionen: Nur ein Weg führt nach draußen
Ionenverteilung bei der Entstehung eines
Ruhepotentials
(nach. H.Pessenhofer)
Ersatzschaltbild
einer Zellmembran
(nach H. Pessenhofer)
Patch Clamp
Ionenfluss durch Ionenkanal
Passiver Transport:
getrieben durch Konzentrationsgradienten
Pore
I
Netto-K+-Fluss:
1 – 100 Millionen K+ / s
0,16 – 16 pA
140 mM K+
5 mM K+
Selektivität: nur einer kommt durch
Pore
Na+
K+
Cl20 mM Cl-
150 mM Cl-
15 mM Na+
140 mM Na+
140 mM K+
5 mM K+
Dehydration
Warum verschwindet der K+-Ausstrom bei -80 mV ?
0 mV
0 mV
0 mV
-80 mV
innen
außen
>99%
< 1%
+
0 mV
Elektrische Feldstärke: E =
-80 mV
F
(Kraft)
ca. 107 V/m (N/C)
Q (Ladung)
-
Das chemische Potential
treibt den K+ - Fluss entlang
des Konzentrationsgradienten.
+
Das elektrische Potential
hemmt den K+ - Fluss entlang
des Konzentrationsgradienten
Im Ruhezustand der Zelle gilt für K+:
Chemisches Potential = Elektrisches Potential
Allgemein gilt:
Elektrochemisches Potential = Chemisches Potential + Elektrisches Potential
Statische elektrische Eigenschaften
der Zelle
•Ruhende Zellen haben negative Membranpotentiale
•Das Ruhepotential ist die Folge von Kaliumausstrom
•Na/K-Pumpen stabilisieren in der Zelle
•hohe K+ (ca 150 mM)
•niedrige Na+ (ca. 15 mM)
•Ionenkanäle leiten Ionen über die Zellmembran
•Treibende Kraft : elektrochemische Potential
•Ruhezustand:
•Membranpotential (= Ruhepotential): -80 mV
•elektrochemische Potential = 0.
Aufbau Nervenzelle
• Dendriten
• Zellkörper
• Axom : elktr. Signal Ionen
Synapse
Nervenzelle
-70 mV
-70 mV
Die zwei grundlegenden Prozesse der Elektrokommunikation zwischen Zellen:
+30 mV
Erregungsleitung
-70 mV
Erregungs –
übertragung
Axon
Soma
Axon
Info
Synapse
Dendriten
K+
Na+
K+
150 mM Na+
5 mM K+
15 mM Na+
140 mM K+
Vm = - 80 mV
Depolarisation
- 30 mV
Ca2+-Signal
schnelle,
spannungsgesteuerte
Na+- Kanäle
Vm = - 30 mV
Na+
0 mV
-80 mV
Na+
Na+
0 mV
-30 mV
Na+
0 mV
-30 mV
K+
Na+
K+
K+
K+
Aktionspotenzial
Aktionspotenzial
ca. 100 mV
1-2 ms
Potenzialausbreitung
ca. 100 mV
1-2 ms
ca. 100 mV
1-2 ms
ca. 100 mV
1-2 ms
Modulation
Elektrische Verstärkung
Elektrische „Anwendungen“ in
Zellen
• Hören
• Elektromechanische Kopplung
• Sehen
• Gehirn/Rückenmark
Was das Ohr alles leisten muss…
Schnelle Signale mit langsamen Neuronen
1000 Hz
Mindestabstand: 2 ms
Resonanz in der Cochlea
hoher Ton
Tonotopie
16.000 Hz
tiefer Ton
20 Hz
… und seine Lösung
1. Verstärkung der Resonanz an nur einem Punkt, dem Maximum
2. Vibrationsmessung an 3000 – 4000 Punkten entlang der Basilarmembran
2
1
3000 – 4000 Sensoren: Die inneren Haarzellen
16.000 Hz
20 Hz
Die äußeren Haarzellen können ihre Länge verändern
ca 5 %
-60
mV
-30
mV
Film download:
http://www.physiol.ucl.ac.uk/ashmore/
Die äußeren Haarzellen berühren die Tektorialmembran
Aus: Schmidt & Thews (1997) Physiologie des Menschen, Springer Verlag, Berlin
Herz
Elektrokardiogramm (EKG)
Magnetische Resonanz Tomografie
(MRT) vom Herzen