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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