Chemie Diplomarbeit / Fakultät für Chemie und Pharmazie ...

Modifikation und Charakterisierung von Mikroelektrodenstrukturen zur Optimierung der kapazitiven Kommunikation mit Nervenfasern
Na + K +
Cl -
Na +
Cl -
Na + Cl -
Na + Na
Cl - +
Cl -
Na +
Extrazelluläre Matrix
+ + + + + +
A -
K +
+ + + + + + + + + + + + + + +
Na + g g g
-
+
E E E
Na +
K +
ATP ADP + Pi
K +
K
K + +
K + K +
A - A- A -
Na K Cl
Na K Cl
Na
Ionenpumpe
Axoplasma
K
C M
Abbildung 7: Jede Population an Ionenkanälen, selektiv für Na , K oder Cl , kann als Batterie (E X ) in Serie mit
einem Widerstand (hier Leitfähigkeit g X =1/R X mit X: Ionensorte) dargestellt werden. 11 Im unteren Teil der
Abbildung ist das Axoplasma zu sehen, das im Ruhezustand relativ zum Außenraum der Nervenfaser negativ
geladen ist. Rechts im Ersatzschaltkreis ist die Kapazität der Membran gezeigt mit dem Axoplasma und dem
Außenmedium als Kondensatorplatten und der Membran selbst als Dielektrikum.
Nach der 1. KIRCHHOFFschen (Knoten-)Regel ist der Nettostrom I Ges gleich null. Außerdem ist
der Spannungsabfall über die einzelnen parallel verlaufenden Zweige immer gleich groß.
Unter der vereinfachenden Annahme einer elektroneutralen Na - K - Pumpe (in Wirklichkeit
trägt die Ionenpumpe zur Erzeugung des Potentialgradienten bei, indem für drei Na -Ionen aus dem Axoplasma
in den extrazellulären Bereich nur zwei K -Ionen aus dem extrazellulären Bereich in das Axoplasma hinein
transportiert werden) berechnet sich damit das im Ruhezustand der Zelle herrschende
Membranpotential V M , das sich aus den resistiven Elementen der Ionenkanäle sowie dem
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kapazitiven Element der Zellmembran an sich zusammensetzt, wie folgt:
V g ⋅ E + g ⋅ E + g ⋅ E
M
=
g + g + g
Na Na K K Cl Cl
Na K Cl
Q
+
C
M
M
(1-2)
g x : Leitfähigkeit des Ionenkanals für die genannte Ionensorte [S=1/Ω]; E: Gleichgewichtspotential für die
genannte Ionensorte bei gegebenem Konzentrationsgradienten über die Membran [V], das in voranstehender
Abbildung als Batterie betrachtet wird; Q M : Ladungen, die sich auf der Membranoberfläche befinden [C]; C M :
Kapazität der Membran [F].
Aus den Gleichungen(1-1) und (1-2) wird ersichtlich, daß das Membranpotential V M von der
Ionensorte bestimmt wird, für die die Permeabilität P der Membran am höchsten ist bzw.
deren Ionenkanäle im betrachteten Augenblick die größte Leitfähigkeit g durch die
Axonmembran, d.h. den kleinsten Widerstand haben.
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