Bemerkung zu den Texten und Bildern, die in der Vorlesung gezeigt wurden:

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1 Bemerkung zu den Texten und Bildern, die in der Vorlesung gezeigt wurden: Aus urheberrechtlichen Gründen könne die aus Büchern kopierten Abbildungen hier nicht eingeschlossen werden. Sie sind jeweils zitiert und sind aus folgenden Büchern entnommen: Bergmann.Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 1, Walter de Gruyter Berlin 1998 G.S. Campbell An introduction to environmental Biophysics Springer New York, 1977 Denis and Pierson The speech chain D.C. Giancoli, Physics, Principles with applications Prentice Hall, Englewood cliffs, 1980 W. Hoppel et al. Biophysik, Springer Berlin 1978 H. Horvath Biologische Physik, HPT&BV, 2003 J.L. Montheit. Grundzüge der Umweltphysik, Steinkopf, Darmstadt 1978 R.W.Pohl Einführung in die Physik, Band 1, mechanik, Akustik, Wärmelehre Springer Berlin 1941 J. Schreiner Physik I, HPT&BV, Wien, 1982 K. Schmidt-Nielsen Scaling: Why is animal size so important. Cambridge University Press, 1993 Scientific American, monatlich erscheinende Zeitschrift P.A. Tipler, Physik. Spektrum Verlag, Heidelberg 1991 Tritthart: Medizinische und Biophysik H. Vogel, Gehrtsen Physik Springer Berlin, 1995 Die gezeigten Applets können bei angesehen werden

2 Bioelektrizität 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

3 Abb. 6.1 Tritthart Medizinische und Biophysik

4 Messung des Membranpotentials mit Mikroelektroden: Leitende Verbindung zum Inneren der Zelle Zelle Mikroelektrode Meßgerät Mikroelektrode: Ausgezogene Glasröhre (0.1 mm Durchmesser) mit Elektrolyt gefüllt.

5 K+ Ionen können durch die Poren diffundieren Mehr Diffusion nach außen: ----> Außen +, Innen ---> verhindert weitere Diffusion ----> Gleichgewicht stellt sich ein K mv etwa Gleichgewicht Cl. -70 mv etwa Gleichgewicht Na mv paßt überhaupt nicht, weit weg vom Gleichgewicht

6 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 MV/m Gummi MV/m Kunstharz MV/m Signalleitung in Nervenzellen und Sinneszellen: Mambranpotential ändert sich kurzfristig: Ruhepotential (-70mV) --> Aktionspotential (+60mV) Ruhepotential (-70mV)

7 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

8 Wieviele Ladungen sind für das Ruhepotentialpotential von 70 mv nötig?? Zusatzinfo: Membrankondensator 0.01F/m 2 Wieviele K + Ionen sind dies?? Eine typische Zelle hat ein Volumen von m 3 und eine Oberfläche von m 2 Wieviele K + Ionen enthält die Zelle? Ionenkonzentration 155 mmol/l 1 kmol Teilchen

9 Übrigens: der Fugu Fisch (Kugelfisch) verwendet TTX Spezialität in Japan besondere Ausbildung der Köche soll besonders gut schmecken Zunge, Lippen werden beim Essen etwas gefühllos wegen kleiner Menge TTX

10 Zeitlicher Verlauf des Aktionspotentials Abb 16.1 Biologische Physik Na Kanäle K Kanäle öffnen offen Schema eines Natriumkanals Abb 11,46 Hoppel Biophysik

11 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: m/s) Warum nur in eine Richtung???

12 Abb 16.1 Biologische Physik Na Kanäle K Kanäle öffnen offen In der Phase der Repolarisation kann kein Aktionspotential ausgelöst werden Aktionspotential wird ausgelöst, wenn Ruhepotential unter 50 mv fällt.

13 Wenn 50 mv überschritten dann ein Aktionspotential. Höhe des Aktionspotentials unabhängig von der Überschreitung In Dentriten der Sinneszelle----> Reiz in Spannungsänderung Spannung proportional zu Reizstärke Ausbreitung passiv, d.h. durch Fortleitung wie im Draht Ohne Aktionspotential bis zuaxon. Spannungsabfall aufgrund des Widerstandes Falls Spannung >-50mV ----> Aktionspotential (unabhängig von der Reizstärke)

14 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 wirder auf +60 mv, usw. Aktionspotential springt weiter Wesentlich schnellere Fortleitung v= m/s

15 Zellmembran muß Spannungsdifferenz haben damit die Zelle funktioniert Membran hat einen Widerstand (spezifischer Membranwiderstand) aufgrund der Spannunsdifferenz fließt Strom, ---> Kondensator entladet sich Na/Ka Pumpe erhält Potentialdifferenz unter Einsatz von Energie welche Energie Pro Tag?? Variante 1: Spezifischer Widerstand der Membran ist ca Ω.m, (unsicherer Wert, hängt von offenen Poren ab). berechne den fließenden Strom und daraus die Leistung.

16 Variante 2: Zellkondensatoren haben Energie gespeichert, diese muß aufgefüllt werden. Wie oft?? Hinweis bei Repolarisationszeit Abb 16.1 Biologische Physik Na Kanäle K Kanäle öffnen offen In der Phase der Repolarisation kann kein Aktionspotential ausgelöst werden Es dauert etwa 10 ms bisnach Aktionspotential die Zelle wieder bereit ist, also Auffüllung alle 10 ms

17 Angabe zu den Zellen: 20% der Körpermasse sei extrazellulär 40% kleine Zellen mit Volumen von m 3 und eine Oberfläche von m 2 40% Muskelzellen, 20 µm Durchmesser und 1 cm lang a) Nehmen Sie Körpermasse an und errechen Sie die Gesamtoberfläche der Zellen. B1) Ermitteln Sie den Widerstand aller Membranen den Strom die Leistung des fließenden Stroms Energie pro Tag

18 B2) Ermittle Energie auf dem Membrankondensator (C = 0.01 F/m 2 ) Leistung bei Erneuerungszeit 10 ms Tägliche Energie

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