E-services: operating strategy

1
Aktionspotentiale von Nervenzellen und
das Hodgkin-Huxley - Modell
2
einige Typen von Nervenzellen
3
Synaptische Kopplung Erregung oder Hemmung
4
axonal-dendritische Verbindung, Signalwege
5
charakteristisches Aussehen des Aktionspotentials
6
wie kommen das Ruhe- bzw. Aktionspotential
zustande ?
? chemischer Konzentrationsgradient ?
elektrischer Ladungsunterschied der Teilchen
(Ionen) ? semi-permeable Membran (-gtDiffusion)
7
Ionenbewegungen an der Membran
BILANZ - 12
innen
außen Kationen (zB Kalium) größere organische
Anionen
8
Ionenbewegungen an der Zellmembran
BILANZ - 8
9
Ionenbewegungen an der Zellmembran
BILANZ - 4
10
Ionenbewegungen an der Zellmembran
BILANZ 0
Ruhepotential für Kalium erreicht
11
(No Transcript)
12
Das Chemische Potenzial (Nernst Gleichung)
R Allgemeine Gaskonstante R
8,3143 J / (molK) T
Temperatur in Kelvin c(Ai), c(Aa)
Stoffmengen-Konzentrationen
des Stoffes A innen, außen
Goldman Gleichung (für unterschiedliche
Ionenarten)
13
Konzentrationen im Intra- und Extrazellulärraum
Ionenart c(innen) c(außen)
Kalium K 400 20
Natrium Na 50 440
Chlorid Cl- 108 560
org. Anionen 460 0
Konzentrationen der vier wichtigsten Ionensorten,
die beim Ruhepotenzial eine Rolle spielen
14
Modell der Zellwand mit Transmembranproteinen
15
Depolarisation
Hyperpolarisation
16
Herstellung des Ruhemembranpotentials durch die
Na/K - ATPase
17
Das Modell von Hodgkin und Huxley (1952)
? Erforschung des Tintenfisch-Axons ? Verwendung
der Voltage-Clamp Technik -gt Isolierung der
Kanalströme für Na und K ? Entwicklung eines
Modells für die Funktion der Kanäle und die
AP-Entstehung
Alan Hodgkin
Andrew Huxley
18
Elektrisches Ersatzschaltbild für die Membran
Cm Kapazität der Zellmembran GNa, GK
spannungsabhängige Leitwerte der Kanäle ENa, Ek
Gleichgewichtspotential von Na bzw. K Gm
Leitwert der passiven Kanäle, Vrest
Ruhemembranpotential
19
Änderung der Spannung an der Membran ist
proportional zum Gesamtstrom der in bzw. aus dem
Kompartment fließt
Die auftretenden Ionenströme sind bestimmt durch
die spannungsabhängige Leitfähigkeit des
entsprechenden Kanals und durch das
Ruhepotential
20
Bestimmung der spannungsabhängigen
Leitfähigkeiten Kurvenverläufe dritter bzw.
vierter Potenz (empirisch durch Voltage
Clamp gemessen) Einführung fiktiver
Aktivierungspartikel (gating-Partikel) diese
modellieren die Wahrscheinlichkeiten des Öffnens
oder Schließens der Kanäle
n Wahrscheinlichkeit Aktivierungspartikel
geöffnet (0ltnlt1)
Alpha und Beta spannungsabhängige
Änderungsraten (Hz) in den geöffneten (Alpha)
bzw in den geschlossenen Zustand (Beta)
21
Modellierung des Kalium-Kanals
Die Öffnung ist von 4 Aktivierungs-Partikeln
abhängig, die alle gleichzeitig geöffnet sein
müssen
Gk max. Leitfähigkeit des Kalium-Kanals Ek
Gleichgewichtspotential für Kalium


22
Modellierung des Natrium- Kanals
schwieriger, da dieser Kanal auch zeitlich
inaktiviert wird -gt Einführung eines
Inaktivierungspartikels Öffnung
Aktivierungspartikel m (m-gate) Schließen
Inaktivierungspartikel h (h-gate)
GNa max. Leitfähigkeit des Na-Kanals ENa
Gleichgewichtspotential für Natrium m
Wahrscheinlichkeit Aktivierungspartikel aktiv h
Wahrscheinlichkeit Inaktivierungs-Partikel nicht
aktiv
23
Modell und reale Messung

Leitwerte für Na (links) und K (rechts) bei
konkreten Aktivierungsniveausdie Linie zeigt die
Werte der Simulation, Kreise reale Messwerte
24
Die vollständige Gleichung für die Änderung des
Membran-Potentials

25
Simulink- und Matlab Modelle
26
Kopplung mehrerer Kompartments
Cable Theory-Models
27
Danke für die Aufmerksamkeit !