VL Erregungsphysiologie 1

Membranpotential erregbarer Zellen

Lernziele

  • Ionenverteilung

  • Gleichgewichtspotentiale

  • Nernst-Gleichung

  • Goldmann-Gleichung

Einführung

  • Präsentation von Prof. Stephan Speier, PhD, Institut für Physiologie, Medizinische Fakultät.

Fallbericht

  • Patientenbeschreibung:

    • Schwach, kann kaum mehr gehen.

    • Seit 4 Jahren 3-mal pro Woche dialysiert.

    • Gesundheitsprobleme: arterielle Hypertonie, Hypercholesterinämie, koronare Herzerkrankung.

    • Aktuelle Messwerte:

      • Blutdruck: 180/100 mm Hg

      • Herzfrequenz: 82/Minute

      • Sauerstoffsättigung: 89 %

    • EKG zeigt normofrequenten Sinusrhythmus; hohe, spitze T-Welle.

    • Kaliumspiegel: 8,8 mmol/l

  • Diagnose: Hyperkaliämie bei 74-jährigem Patienten, alarmierte selbst den Rettungsdienst.

Membranpotential

Grundlagen

  • Membranpotential:

    • Potenzialdifferenz zwischen Innen- und Außenseite der Zellmembran.

  • Ruhemembranpotential verschiedener Zelltypen:

    • Erythrozyt: -10 mV

    • Glatte Muskelzelle: -50 mV

    • Nervenzelle: -70 mV

    • Skeletmuskelzelle: -95 mV

    • Pflanzenzelle: -180 mV

Funktionen des Membranpotentials

  • Erregungsleitung

  • Sekretion

  • Membrantransport

  • Kontraktion

  • Reizwahrnehmung

  • Koordination und Verrechnung

  • Proliferation und Migration

Ursachen des Membranpotentials

  • Bestimmende Faktoren:

    • Selektive Permeabilität der Zellmembran

    • Ionentransporter

    • Chemischer Gradient

    • Elektrischer Gradient

Ionentransporter

  • Wichtige Ionenkonzentrationen:

    • Na+: Intrazellulär 10-15 mM, Extrazellulär 130-150 mM

    • K+: Intrazellulär 140-155 mM, Extrazellulär 3,5-4,5 mM

    • Ca2+: Intrazellulär ca. 0,5 x 10^-4 mM, Extrazellulär 1–2 mM

    • Cl-: Intrazellulär 4-20 mM, Extrazellulär 100-130 mM

    • HCO3-: Intrazellulär 5-15 mM, Extrazellulär 20-30 mM

    • A- (makromolekulare Anionen): Intrazellulär 130-155 mM, Extrazellulär 4-10 mM

Ionenverteilung über die Zellmembran

  • Ionen können die Membran durch Kanäle durchqueren.

  • Wichtige Ionentransporter:

    • K+-Kanal trägt zur Herausbildung des Ruhemembranpotentials bei.

Berechnung des Gleichgewichtspotentials

Nernst-Gleichung

  • Allgemeine Formel zur Berechnung des Gleichgewichtspotentials:

    • EIon = (R * T)/(z * F) * ln([Ion]a/[Ion]i)

  • Variablen:

    • R: Gaskonstante (8,314472 J·K−1·mol−1)

    • T: absolute Temperatur (z.B. 37 °C = 310 K)

    • F: Faraday-Konstante (96 485,34 J·V−1·mol−1)

    • z: Wertigkeit des Ions

    • [Ion]a: extrazelluläre Ionenkonzentration

    • [Ion]i: intrazelluläre Ionenkonzentration

Beziehungen zwischen Gleichgewichtspotential und Membranpotential

  • Ruhemembranpotential ist die Summe der Gleichgewichtspotentiale mehrerer Ionen:

  • Beispielwerte für Na+, K+, und Cl- bei verschiedenen Zelltypen.

Hyperkaliämie

  • Definition: Serumkaliumwert über 5,0 mmol/l.

  • Inzidenz:

    • Normalbevölkerung 2-3 %

    • Patienten mit chronischer Nierenerkrankung 40-50 %

  • Ursachen und Symptome:

    • Kaliumaustritt aus der Zelle, verminderte renale Ausscheidung.

    • Symptome: Muskelschwäche, Arrhythmien bis hin zu Asystolie.

  • Therapie: Calciumgluconat, Glucose/Insulin Infusion, Natriumhydrogenkarbonat, Hämodialyse.

Literaturhinweise

  • Pape H, Kurtz A, Silbernagl S. Physiologie des Menschen (2019).

  • Brandes R, Lang F, Schmid R.F. Physiologie (2018).

  • Fundamental Neuroscience (2015).