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Membranruhepotenzial, Aktionspotenzial undelektrotonische Potenziale
- Ionale Grundlagen -
Péter Sántha15.09.2020.Lernziele: 4-6.
Das Membranpotenzial
Membranruhepotenzial:Transmembran Potenzialdifferenz unter Ruhebedingungen (keine Reizung, Erregung)Zellspezifisch: -100 - -40 mV Messung: Intrazelluläre Mikroelektrode
Bedeutung:•Signalübertragung und Fortleitung•Transportprozesse•Regelung des Zellvolumens
Erhaltung: Aktiver Prozess (bis zu 70% des ATP Verbrauchs!!)
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Asymmetrische Ionenverteilung in den Extra- und Intrazelluläre Flüssigkeiten:
EZF (mmol/L) IZF (mmol/L)
Plasmamembran
Entstehung des Nernst Potenzials (Diffusionsgleichgewicht):Gleichgewicht zwischen der Konzentrationsdifferenz und Elektrische Potenzialdifferenz getriebene Ionenströme (Nettostrom=0)
- +
Neg. Pos.
gemessene Potenzialdifferenz ist Proportional mit der Konzentrationsdifferenz
K+ permeable Membran
Anfang Diffusionsgleichgewicht
Ladungsabtrennung - Elektrisches Feld
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Die Nernst Gleichung:Ergibt das Gleichgewichtpotenzial beim angegebenen EZ und IZ Ionenkonzentrationen
Kalkulierte Gleichgewichtspotenziale der Ionen (in den Zellen):
Z = Valenz des IonsR = GaskonstanteF = FaradaykonstanteT = Temperatur
T=37 ºC
Problem:
•Jede Ionen haben eigene Gleichgewichtspotenziale•Diese Werte unterscheiden sich vom gemessenen Ruhepotenzial
Zur konstruieren einem ausreichenden Modell wir müssen beabsichtigen:+ die Diffusion der wichtigsten Ionen (Na+; K+; Cl-)+ Aktive Transportprozesse (Elektrogene Ionenpumpen!)+ (Donnan Gleichgewicht)
Voraussetzung eines stabilen Membranruhepotenzials: dynamisches Gleich-gewicht der aus- und einwärts flieβende Ionenströme(Der resultierende Ionenstrom soll null sein!)
Ohmsches Gesetz: R = U / I → I = U / R und I = U x g (g=Leitwert)
Elektrischer Triebkraft (U) =?? →U =Ei= ENernst – Em Z.b.: IK+=(EK+- Em) x gK+
Inet = 0 = IK++ INa++ ICl- = gK+ x EiK+ + gNa+ x EiNa+ + gCl- x EiCl-
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Goldmann-Hodgkin-Katz Gleichung
Ergibt den Wert des Diffusionsgleichgewicht bediengte Membranpotenzialsbei angegebener Ionenkonzentrationen und Permeabilität (Leitwert) Verhältnissen
Unter Ruhebedingungen: PK : PNa : PCl = 1 : 0,04 : 0,45Hohe K+ Permeabilität : Ruhepotenzial liegt nah zum K+ Gleichgewichtspotenzial!
Veränderung der Parametern → Veränderung des Membranpotenzials
Em wird mehr negativ: HyperpolarisationEm wird mehr positiv: Depolarisation
Veränderung der Ionenkonzentrationen:[K+] in EZF ist erhöht (Hyperkalemia): Depolarisation – (Arrhytmien, Herzstillstand)[K+] in EZF ist erniedrigt (Hypokalaemia): Hyperpolarization – (Arrhythmien, PNS Störungen)Diese Störungen können Notfallsituation auslösen!!!
Veränderung der Leitfähigkeit (Ionenkanäle): Akzionspotenzial, Postsynaptisches Potenz.
Problem: wegen der Diffusion langfristig würden die Konzentrationsgradientenabgebaut werden und Em würde bis zu 0 mV senken (A)
Aufrechterhaltung der konstanten Ionenkonzentrationen → Na+ -K+ ATPase
Elektrogener Transport (3 Na+ pro 2 K+ ) verschiebt das Em mitza. -5 mV in negative Richtung (hyperpolarisierndes Pumpenpotenzial)
Konsekvenzen:Hemmung des ATPases depolarisiert die Membran Abbau des Em verursacht Cl- (und Na+) Einstrom und Schwellung der Zelle(z.B.: Gehirnoedem) → Na+ -K+ ATPase reguliert des Zellvolumens
Na+
K+
IZ EZ
Em=-65mV Na+
K+
IZ EZ
Em=-70mV
Na+
K+
A) B)
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Bedeutung der Membrankapazität
Die elektrischen Ladungen (Ionen), die aufrechterhalten das Membranpotenzial sind an der IZ und EZ Oberflächen der Plasmamembran verteilt
Plasmamembran wirkt als einer Kondensator (mittlerer Schicht – Isolierung!)Unter Ruhebedingungen die Größe der Membrankapazität determiniert der Zahl der Ionen die das Ruhepotenzial aufrechterhalten
C=Q/U → Q=Cm x Um (Um=Em)
Cm hängt von Zelloberflache, Dicke der Membran, Dielektrische Konstante ab
Beispiel:
Eine Zelle mit 50 m Durchmesser bei Em=- 60 mV (Cm= 1 F/cm2):Kalkulierte Ionenmenge die sind geladet in dem Membran Kondensator:
29 x 106 Ionen (1/200 000 der Gesamtmenge IZ!!)
Untersuchung des passiven Verhaltens des Membranpotenzials:Elektrische Reizung
Intrazelluläre Reizelektrode (selten)
Strom wird in die Zelle Eingespeist
Ladungsverteilung an der Membranoberfläche:
Kondensator (Kapazität)+parallel geschaltete Widerstand (Ionkanäle)
positiver Strom – Depolarisationnegativer Strom – Hyperpolarisation
Den Stromstoß ausgelöste Potenzialverlaufist als Elektrotonisches Potenzial(Elektrotonus) genanntΔEm ist proprtional mit der Reizstromgröße und dem Membranwiderstand
+ -
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Extrazelluläre Reizelektrode:
Kathode– Membran Depolarisation
Anode– Membran Hyperpolarisation
Beispiele:Ventrikuläre Tachycardien (Lebensgefahr!)
– Elektrokardioversion und DefibrillationSchrittmacher Therapie (Herz, Zwerchfell)Elektrokonvulzive Therapie (Psychose)TENS: Trans Dermal Nerve Stimulation (Schmerz Therapie)Diagnostische Verfahren (EMG, ENG usw.)
„Intrinsische” elektrotonische (gradierte, lokale) Potenziale
Postsynaptisches Potenzial (PSP)
Ligandgesteuerte Ionkanäle – ionotrope RezeptorenIntrazelluläre signal gesteuerte Ionenkanäle - metabotrope Rezeptoren)
Rezeptorpotenzial
Sinneszellen, speziphische Sinnesorganen (Mechano-, Thermo- und Chemorezeptoren)senzorischer Transduktionsprozess
Fortleitung des Aktionspotenzials
Schrittmacherpotenzial
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Reizintensität Keine Schwelle (Obligat)
Richtung der Potenzialveränderung
De- oder hyperpolarisierend(Reizabhängig)
Amplitude Reizabhängig („gradiert”)
Fortleitung Mit Dekrement
Refrakterität Keine Refraktärphase
Summation Zeitliche und örtliche
Mechanismus Verschiedene passive Iontransporte
Bedeutung ErregungsfortleitungPostsynaptische Potenziale
Rezeptorpotenziale
Eigenschaften der elektrotonischen Potenziale
Passive und aktive Potenzialveränderungen der erregbaren Membrane
Neuroscience Purves, Dale; Augustine, George J.; Fitzpatrick
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Aktionspotenzial
Phänomenologie:
Rasche Veränderung des MembranpotenzialsEs wird Ausgelöst durch überschwellige Depolarizierung(IZ/EZ Reizungen; Schrittmacherzellen)Stereotyp: Verlauf, Zeitdauer und Amplitude sind konstante„Alles-oder-nichts-Gesetz”
Phasen des Aktionspotenzials
1. Aufstrich: schnelle Depolarisation2. Gipfel (peak): Überschuss3. Repolarosation
Nachpotenziale:4a. Hyperpolarisiernde4b. Depolarisierende
1.
2.
3.
4b.
4a.
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Ionaler Mechanismus des Aktionspotenzials
• Depolarisation zur Schwelle: ~-50 mV (manche spannungsabhängige Na+ Kanäle öffnen sich - „lokaler Antwort”)
• Aufstrichphase: bei der Erregungsschwelle (Em ~ -40 mV) die Öffnung von weiteren Na+ - Kanäle resultiert weitere Depolarisierung (gNa+ ↑↑ → Em wird positiver); es fördert die Aktivierung noch mehrere Na+ - Kanäle (positive Rückkopplung!!)Höchste gNa+ – kurz bevor der Spitze
• Na+-Kanäle werden schnell inaktiviert (Inaktivierungs Tor)
• Spannungsabhängige K+-Kanäle öffnen sich verzögert (0,2-0,3 ms) mit langsamer Kinetik gKmax während der Repolarisationsphase
• Nachpotenziale: unterschiedliche K+ Kanäle werden aktiviert
Während des Aktionspotenzial erhöht sich die IZ Na+ Konzentration nur mit ~0.013% es resultiert keine Veränderung in der Ionenverteilung
Veränderung der Leitfähigkeit der Membran während des Aktionspotenzials
Wenn das aktuelles Membranpotenzial (Em) und Ionenströme (INa+ und Ik+) bekannt sind, es ist möglich die aktuellen Leitwerte der Ionen bestimmen: R=U/I → g=I/U (Ohm Gesetz)
Membranpotenzial ist Determiniert durch-Ionenkonzentrationen: Keine messbare
Abweichung-Leitfähigkeit der Ionen:
gNa+ - schnelle Erhöhung dann RückkehrgK+ - verzögerte Erhöhung – langsamer Rückkehr
Konzequenz:Aufstrichphase – Em nähert sich zum Na+ -
Gleichgewichtspotenzial (ENa+ ~+60 mV)Repolarisationsphase – Em nähert sich zum
K+ -Gleichgewichtpotenzial (EK+~ -70mV)
EK+
ENa+
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Funktionelles Modell des Na+-Kanals
Während des Aktionspotenzials die aktivierten Na+-Kanäle werden inaktiviert (nicht Aktivierbar), solange das Membran depolarisiert ist
Konzequenz: Refrakterität!!
Messung der elementaren Ionenströme ermöglicht die
Karakterisierung das Verhalten der Ionenkanäle
Measurement of single channel activity using the patch-clamp method during depolarization of the membrane
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Erhöhung der Aktivationsschwelle während des APs: Refraktärphasen
Absolute Refraktärzeit: die Membran ist gar nicht aktivierbarRelative Refraktärzeit: die Membran kann nur mit überschwelliger Reizung aktiviert werden-- Frequenz der repetative Entladung der Zellen ist beschränkt (500-1000 Hz)
Erregbarkeit der Membranen (Axonen)
Reizdauer
Re
izin
ten
sitä
t
Rheobase
2xRheobase
Chronaxie
ReizdauerRe
izin
tens
ität
Dicke markhaltige Fasern sind mehr erregbar als dünne marklose Fasern(Rheobase und Chronaxie Werte sind kleiner)
E0
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Abhängigkeit der Aktivationsschwelle der Na+-Kanäle von der Extrazelluläre Ca2+ Konzentration
Physiologischer Bereich: ~ 2 mmol/l
Hypokalzämie:Teatanie – Muskelkrämpfe(Stimmritzekrampf)
Hyperkalzämie:
Muskelschwache,Lähmungen
Räumliche Verhältnisse des Elektrotonisches Potenzials - Längskonstant
Elektrotonische Potentiale anlanggestreckte Fasern
Inhomogene StromverteilungEinfluss des Längswiderstandes
Zeitverlauf und Amplitude hängt von dem Ort der Stromapplikation ab
Verzögerung der Entwicklung
-Emax nimmt ab: Dekrement
Membranlängskonstant(Längswiderstan –reziprokal Membranwiderstand -direkt Prop.)
37%Emax
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Ra= Längswiderstand
Stromdichte entlang der Faser
Die Fortleitung des Aktionspotenzials in denAxonen
Aktionspotential löst Ionenströme aus:Der Inwärts Strom (Aufstrichsphase) depolarisiertder nebenliegende Axonsegmente(lokale Stromquelle)
Depolarisation ist elektrotonisch fortgeleitetin die nebenliegende Axonsegmente
Wenn hier die Depolarisation überschwellig ist dannneue Na+-Kanäle werden aktiviert – AP Aufstrich
Erregung wird vorwärts fortgeleitetVorwärts Membran hat hohe Widerstand – Strom resultiert hohe Potentialveränderung
Rückwärts Fortleitung ist gehemmt: Membranwiderstandniedrig ist (geöffnete K+ Kanäle) – Kurzschluss
+Funktionszustand (refrakterität) der Na+-Kanäle
20 m/s
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Ra= Längswiderstand
Stromdichte entlang der Faser
Potenzialverlauf entlang der Faser
E0
ESchwelle
Na+ einwärts FluxPassive auswärts
Flux (K+)
Markloße Fasern (Typ C)1 m/s -- 3,6 km/h
Markhaltige Fasern (Typ A und B)100 m/s – 360 km/h
Fortleitungsgeschwindigkeit der Axonen
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Fortleitung des Aktionspotenzials in den Axonen
Fortleitungsgeschwindigkeit hängt ab von:• größe des depolarisierendes Ionenstroms (Aktivität der Na+ Kanäle)• physikalischen Parametern des Axons und der
Fortleitungsgeschwindigkeit:
Direkt Proportional:Membranwiderstand
Inverz Proportional:Längswiderstand – Axon Durchmesser (Tintenfisch „Riesenaxon” ~ 1mm!!)Membrankapazität (Membrandicke)
Wirbeltieren: Myelinscheide – erniedrigt der Kapazität und erhöhtden Membranwiderstand
Na+ Kanal: Schnürring (grün)K+ Kanal: Paranodium (rot)
marklose und markhaltige Fasern und dieSchwannzelle
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Schnürring (2m): Entstehung des APs (potenzialabhängige Na+ Kanäle)Internodium (2-3000 m): keines AP – elektrotonische Fortleitung der Depolarisation!!Leitungsgeschwindigkeit der Erregung in der Schnürringe wesentlich langsamer als inder Internodien
weiterer Vorteil: weniger Na+-K+ ATPase sind nötig (Ionflüsse nur in der Schnürringen)Schädigung der Myelinscheide – Verzögerung oder Block der Fortleitung (SclerosisMultiplex - Demyelinisation)
Saltatorische Erregungsleitung:
AP APEP EP EP
L
Em
Demyelinisierung:Verzögerte oder blockierteAP Fortleitung
e.g.: sclerosis multiplex
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Registrierung des Aktionspotenzials mit Extrazellulären Elektroden
a: zweite Elektrode„Indifferent”, Referenz- Unipolare Ableitung
b: zweite Elektrode„Aktiv”- Bipolare Ableitung
a.b.
Reizort
ENG: ElectroneurographieEMG: ElectromyographieECG: ElectrocardiographieEEG: ElectroencephalographieERG: Electroretinography
The Potenzialen können auch alsFolge der EP entstehens!
Summenaktionspotential der gemischten Nerven
Reizort distal
Proximal(zentral)
Distale Reizung-Proximal Registrierung:
Efferenzen: Antidromische ErregungsfortleitungAfferenzen Fasern: Ortodromische Erregungsfortleitung
Zeit
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Eingang der Neuronen: Dendriten und ZellkörperEm ist bestimmt durch die Summe der erregende und hemmende EinflüsseElektrotonische Fortleitung, Summationen (Analoge Informationsverarbeitung)
Initiales Segment: Entstehung des AktionspotentialsIntegrierung der fortgeleitete Potential-veränderungen, SummationenEntscheidungstreffen, Kodierung (EP Amplitude –AP Frequenz)Analog – Digitale Umwandlung
Axon: Fortleitung der Aktionspotentialen (Digital) Keiner Informationsverlust - keines Dekrement(„High Fidelity”)
Ausgang: Axonterminal (Presynaptischer Apparat) –Freisetzung der Neurotransmitter MolekülenDigital – Analog Umwandlung
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Beispiele der Summationsprozesse von elektrotonische(postsynaptische) Potenziale in der neuronen
Örtliche (spatial) und zeitliche (temporal) Summation – siehe später bei der synaptische Funktionen!
Aktionspotenzial Elektrotonisches Potenzial
Reizintensität Erregungsschwelle definiert
keine Schwelle (obligat)
Richtung der Potenzialveränderung
immer depolarisierend de- oder hyperpolarisierend(Reizabhängig)
Amplitude konstant: „alles oder nichts Gesetz”
Reizabhängig
Fortleitung ohne Dekrement mit Dekrement
Refrakterität absolute und relative Refraktärphasen
keine Refraktärphase
Summation keine zeitliche und örtliche
Mechanismus spannungsabhängigeIonenkanäle (Na+, K+, Ca2+)
verschiedene passive Iontransporte
Bedeutung Erregungsfortleitung ErregungsfortleitungPostsynaptische Potenziale
Rezeptorpotenziale
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Elektrische Eigenschaften der Neuronen und anderen
erregbaren Zellen
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Postsynaptische Potentiale (PSP)
Presynaptishe Nervendigung: Aktivität abhängige Freisetzung der Botenstoffe
Postsynaptische Membran:Transmitter Bindung und Aktivierung der Rezeptoren der postsynaptischen Membran
Eröffnung der Ionkanäle – Entstehung der Ionenströme und Veränderung des Em
Erregende Synapse: Öffnung von Na+ oder Ca2+ Kanäle (Inwärtsstrom)EPSC: Excitatorischer Postsynaptischer Strom (Current)EPSP: Excitatorisches Postsynaptisches Potential (Depolarisierend)
Hemmende Synapse: Öffnung von Cl- oder K+ Kanäle (Auswärtsstrom und Kurzschluss)IPSC: Inhibitorischer Postsynaptischer Strom (Current)IPSP: Inhibitorisches Postsynaptisches Potential (Hyperpolarisierend)
PSPs sind elektrotonische Potentiale(Gradierung, Dekrement, Summation)Amplitude ist niedrig (1-10 mV)
Interaktionen von Synapsen - Summationsformen
Die Neurone verfügen mehrere (>100 oder >1000) Synaptische Eingänge: Interaktionen
Räumliche Summation:Die durch der gleichzeitigen Aktivität von unterschiedlichen Synapsenentstehende Ionenströme summierensich: Vergrößerung des PSPs Amplitude- Längekonstant determiniert
Zeitliche Summation:Bei repetitiver Aktivität der Synapsedie nacheinander folgende PSPsSummieren sich (>100 Hz)Vezögerte Entladung der Kapazität-Zeitkonstant Determiniert
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Funktionen der hemmenden Synapsen
Postsynaptische Hemmung (axo-dendritische oder axo-somatische Synapsen): die ausgelöste IPSP/IPSCssummieren sich mit der erregenden EPSPs/EPSCs
+ Kurzschluss: Veränderung der Cl-/K+ Permeabilität derpostsynaptischen Membran vermindert den Membran-widerstand und die Wirkung der depolariesierende Ionenströme
Nicht selektive Hemmung - beeinflust mehrere (alle) erregende synaptische Eingänge
Effektivität der postsynaptischen Hemmung hängt ab von:
Größe der Entladungsfrequenz / synchronisierte Aktivität der inhibitorischen Synapsen
Räumliche Verteilung der Synapsen: nah zum Axonhügel – erhöhte Wirkung (zB.: Kleinhirn – Korbzellen)
Purkinje Zellen (A) und die perisomatischeAxonen der Korbzellen (B).Zeichen von Santiago Ramon y Cajal
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Präsynaptische Hemmung
Axo-axonale Synapse: selektive Hemmung einzelnen synaptischen Eingänge
Eingang der Neuronen: Dendriten und ZellkörperEm ist bestimmt durch die Summe der erregende und hemmende EinflüsseElektrotonische Fortleitung, Summationen (Analoge Informationsverarbeitung)
Initiales Segment: Entstehung des AktionspotentialsIntegrierung der Fortgeleitete Potential-veränderungen, SummationenEntscheidungstreffen, Kodierung (EP Amplitude –AP Frequenz)Analog – Digitale Umwandlung
Axon: Fortleitung der Aktionspotentialen (Digital) Keiner Informationsverlust - keines Dekrement(„High Fidelity”)
Ausgang: Axonterminal (Presynaptischer Apparat) –Freisetzung der Neurotransmitter MolekülenDigital – Analog Umwandlung
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Funktion des Axonhügels – Generierung des Aktionspotenzials
Initialsegment der Axonen enthaltet Spannungsabhängige Na+ Kanäle
Überschwelliege Depolarisation (Resultat der Summationsvorgänge) löst AP ausIntegrierung der Wirkungen der Synaptischen Eingänge – EntscheidungstereffenDie Amplitude der summierten PSPs (Analoges Signal) kann in der Entladungsfrequenzder Aktionspotentiale (Digitales Signal) Umgesetzt werden - Frequenz-Kodierung
Vorteil: Aktionspotentiale pflanzt sich fortohne Dekrement entlang längeren StreckeKeine Informationsverlust
Aber: Adaptation!
Der zeitliche Verlauf des elektrotonischen Potenzials - Zeitkonstante
+ -+
1. Schnelle PhaseEntladung des Membrankapazitors(schnelle Veränderung des Potenzials-Kapazitiver Strom)
2. Langsame (Statische) PhaseErhaltung des Transmembranstromsbei dem depolarisierten Membranpotenzial(Ohmischer Strom)
Emax= i x RmMembranzeitkonstant (τ): Produkt des Membranwiderstandesund der Membrankapazität
63%Emax
+ -+- - + -
Elektrode
1. 2.
Em=-60 mV
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Potenzialabhängige Aktivierung der K+- Ströme
60mV 30mV0
-30mV-60mV
Emembran
-60mV
K+ Strom: Langsame AktivierungKeine Inaktivierung
(Außenstrom – Elektrochemische Gradientdes K+ Ions ist nach außen gerichtet)
Negativer Klemmstrom:
-Einwärts Strömung von positive Ladungenoder:-Auswärts Strömung von negative Ladungen
"for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane".
Andrew Fielding Huxley Sir John Carew EcclesAlan Lloyd Hodgkin
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963
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Messung der transmembranen Ionenströme
Spannungsklemme (Voltage-clamp) Verstärker: mit einer feed-back Regelkreis ist das Membranpotenzial auf einem preprogramierten (Command Potenzial -Sollspannung) Wert erhielt mittels eingespeiste Strominpulsen
Stromimpulse kompenzieren die durch der Membran flieβende Ionenströme (Im) - Klemmstrom
Voltage clamp am Tintenfisch Riesenaxon (1mm Durchmesser)
Neurone, kleinere (epitheliale) Zelle – Mikroelektroden – Membran Flecke (Patch)
Whole Cell – Messung der Ionenströme durch der ganzen Membran (Im –100pA-nA)Single Channel - Messung der Ionenströme durch einzelnem Kanal – (1-5 pA)
Spannungsklemme Verstärker
Em= aktuelles MembranpotenzialEc= Command Potenzial – willkürlich
verstellbarIm= aktuelles Membranstrom
Im
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The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1991
Erwin NeherFederal Republic of GermanyMax-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie Goettingen
"for their discoveries concerning the function of single ion channels in cells"
Bert SackmannFederal Republic of GermanyFederal Republic of GermanyMax-Planck-Institut fürmedizinische Forschung Heidelberg
Summation of the depolarisation-induced single channel
activities causes the ion currents
Measurement of single channel activity using the patch-clamp method during depolarization of the membrane
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Possible techniques for patch-clamp recordings
Funktionelles Modell der Na+-Kanal
Während des Aktionspotenzials die aktivierten Na+-Kanäle werden inaktiviert (nicht Aktivierbar), solange das Membran depolarisiert ist
Konzequenz: Refrakterität!!
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