Teil 1 - Physik

Einige Grundbegriffe der Elektrostatik
Es gibt + und - Ladungen
ziehen sich an
Einheit der Ladung 1C
Elementarladung: e = 1.6 .10-19C
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Abb 14.7 Biologische Physik
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Parallel- und Serienschaltung von Kondensatoren/Widerständen
Symbolik für Schaltungen
Leitende Verbindung die Widerstand Null hat,
Äquipotentialfläche
Kondensator (mit Anschlußdrähten)
Widerestand
(
)
+
Spannungsquelle
–
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Serienschaltung: Ein Element nach dem anderen
Parallelschaltung: Ein Element neben dem anderen
(Ohmsches Gesetz)
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(Experimentell gefunden)
Verzweigungspunkt (Knotenpunkt):
Summe der zufließenden Ströme =
Summe der abfließenden Ströme
Falls zufließende Strome positiv
abfließende Ströme negativ:
--->Summe der Ströme = Null:
Σ Ii=0
Abb 15.4 Biologische Physik
Geschlossener Stromkreis: Ladung kann durch den Kreis fließen und
gelangt wieder zum Anfangspunkt
Verfolge den Weg einer Ladung
Abb 15.4 Biologische Physik
In Spannungsquelle U1 gewinnt die Ladung
Potential, Spannungsabfall in I1.R1 in R1,
I2.R2 in R2, Gewinn U2, Abfall I3.R3.
Dann Kreis geschlossen. Summe der
Spannungsabfälle muß gleich dem Gewinn
sein ,
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+ Ionen zur negativen Elektrode (KATHODE)
– Ionen zur positiven Elektrode (ANODE)
Abb 14.6 Biologische Physik
Zelle:
Im Inneren befindet sich intrazelluläre Flüssigkeit:
Wasser mit Ionen (Elektrolyt)
Ionen: K+, Na+, Cl-, andere negative Ionen,
zB. große Organische Ionen
Extrazellulär: Auch Elektrolyt, dieselben Ionen;
aber andere Konzentrationen
Wichtiger Bestandteil der Zelle:
Membran: etwa 9 nm dick,
Lage aus Proteinmolekülen
Lage bestehend aus Lipiden (Fett)
Lage aus Proteinmolekülen
In der Membran gibt es kleine Poren, durch die kleine Ionen
(Cl-, K+, Na+) diffundieren können oder transportiert werden
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Abb. 6.1 Tritthart Medizinische
und Biophysik
Wasser (mit Ionen) ist Hauptbestandteil jedes Lebewesens
Ionenkonzentration intrazellulär und extrazellulär verschieden
---> Potentieldifferenz zwischen Aussenraum und Zelle
---> Membranpotential
Zellmembran ist etwa 9 nm dick,
bimolekulare Lipidschichte mit an- und eingelagerten Proteinmolekülen
Membran ist elektrische Isolator
ist porös,
einige (eher kleine) Ionen können durchdiffundieren
Wegen der verschiedenen Ionenkonzentrationen:
----> Potentialdifferenz zwischen Innen und Außen
innnen negativ, außen positiv
im Ruhe etwa 70 mV
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Messung des Membranpotentials mit Mikroelektroden:
Leitende Verbindung zum Inneren der Zelle
Zelle
Mikroelektrode
Meßgerät
Mikroelektrode: Ausgezogene Glasröhre (0.1 µm Durchmesser)
mit Elektrolyt gefüllt.
+
+
K+ Ionen können durch die Poren diffundieren
Mehr Diffusion nach außen:
----> Außen +, Innen –
---> verhindert weitere Diffusion
----> Gleichgewicht stellt sich ein
+
+
++
+
+
K+ …. -90 mV etwa Gleichgewicht
Cl– …. -70 mV etwa Gleichgewicht
Na+ … +60 mV paßt überhaupt nicht, weit weg vom Gleichgewicht
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Poren für Na+ undurchlässig
außerdem Na Pumpe (befördert eindiffundiertes Na nach außen,
? auch schwache K Pumpe?? ?)
Feldstärke in der Membran:
70 mV / 9 nm = 7.8MV/m
Durchschlagfeldstärke Luft 3MV/m
Glas 12 …. 20 MV/m
Gummi 10 …. 30 MV/m
Kunstharz 15 …. 25 MV/m
Signalleitung in Nervenzellen und Sinneszellen:
Mambranpotential ändert sich kurzfristig:
Ruhepotential (-70mV)
--> Aktionspotential (+60mV)
Ruhepotential (-70mV)
Andere Polarität durch Überschuß positiver Ionen an der Zellinnenwand
Zellwand ist kurzzeitig für Na+ Ionen durchlässig
(Permeabilität kurz größer).
-----> Eindiffusion von Na+-Ionen, Überschuß an K+ Ionen kompensiert
(Depolarisation)
Dann anschließend Durchlässigkeit für K+ Ionen erhöht
(Repolarisation)
+
Na langsam mit von Na Pumpe abtransportiert
Wie zeigbar??
• Ohne Na extrazellulär ---> kein Aktionspotential
• Falls Na Kanal blockiert (TTX Tetrodotoxin, Nervengift)
kein Aktionspotential (z.B. Lokalanästetika)
• Falls Na Punpe blockiert: Trotzdem Aktionspotential
Tausende Aktionspotentiale möglich
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Zeitlicher Verlauf des Aktionspotentials
Abb 16.1 Biologische Physik
Na Kanäle
öffnen
K Kanäle
offen
Schema eines Natriumkanals
Abb 11,46 Hoppel Biophysik
Abb 16.1 Biologische Physik
Membran im Ruhezustand
Aktionspotential
Wird weitergeleitet,
da in der Umgebung die Permeabilität
der Membran für Na Ionen erhöht
Proteinmolekül wird “verbogen”
(durch die veränderten Ladungsverhältnisse)
und läßt Na Ionen ein, wirkt auf die Nachbarporen, usw.
Weterleitung wie in Zündschnur.
Geschwindigkeit einige m/s (Licht, el. Strom: 3.108 m/s)
Warum nur in eine Richtung???
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Abb 16.1 Biologische Physik
Na Kanäle
öffnen
K Kanäle
offen
In der Phase der Repolarisation
kann kein Aktionspotnetial
ausgelöst werden
Aktionspotential wird ausgelöst, wenn Ruhepotential unter
– 50 mV fällt.
Wenn – 50 mV überschritten dann ein Aktionspotential.
Höhe des Aktionspotentials unabhängig von der Überschreitung
3m/s ist langsam: z.B. Elephant 5m Nerven vom Hinterbein zum Gehirn
bei 3m/s …. ∆t = ...
Saltatorische Fortleitung:
Axon ist von Myellin umhüllt.
(ähnlich Mark: Lipide + Proteine, guter Isolator)
Im myellinumhüllten Teil keine Ionenkanäle, kein Aktionspotential
Aktionspotential ist Spannungsquelle
Stromleitung durch den Elektrolyten, mit Spannungsabfall etc.
Wenn beim nächsten Ranvier’schen Schnürring >–50mV, dann
Aktionspotential
---> Spannung wieder auf +60 mV, usw.
Aktionspotential “springt” weiter
Wesentlich schnellere Fortleitung v= 100 .. 300 m/s
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