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Erregungsbildung und -leitung I
1. Ionenkanäle
1.1 Eigenschaften und Struktur
1.2 Die „Patch Clamp“ Technik
2. Membranpotential
2.1 Elektrochemisches Gleichgewicht
2.2 Aktiver Ionentransport
2.3 Natrium-Kaliumpumpe
2.4 Sekundärer Ionentransport
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Ionenkanäle
Funktion der Neuronen beruht auf Veränderungen im Membranpotential:
- Ionenkanäle
schnelle Veränderungen und Signalweiterleitung
- Ionentransporter (Pumpen)
Herstellung und Aufrechterhaltung der Ionenverteilung
Eigenschaften von Ionenkanälen:
- Selektiv für bestimmte Ionen
- Erlauben (passiven) Fluss von Ionen durch die Membran
- Öffnen und schließen als Reaktion auf elektrische
(spannungsgesteuerte Kanäle), mechanische (mechanogesteuerte
Kanäle) oder chemische Signale (ligandengesteuerte Kanäle)
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Ionenkanäle: Selektivität
(Kandel et al., Principles of Neural Science)
• Größenausschluß aufgrund
effektiven Durchmesser des
hydratisierten Ions (kleinere
Ionen haben größere Hydrathülle)
• Selektivitätsfilter (Interaktion
mit polaren Aminosäuren, bei
denen eine schnelle, transiente
Dehydratation stattfindet (kürzer
als 1 µs))
>>106 Ionen pro Sekunde pro
Kanal
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Ionenkanäle erlauben passiven Ionenfluss
Ionenkanäle wirken als Widerstand:
Stromfluss verändert sich linear mit der Spannung (U = R × I)
• Lineare Beziehung:
ohmscher Kanal
• Nichtlinear:
gleichrichtender
(„rektifying“) Kanal
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Öffnen und schließen von Ionenkanälen erfolgt durch
Konformationsänderungen
Jeder Kanal hat mindestens einen offenen und einen oder zwei
geschlossenen Zuständen. Übergang wird als „gating“ bezeichnet
Gating kann unterschiedlich
ausgelöst werden:
- Ligand
- Phosphorylierung
- Elektrische Spannung
- Druck oder Zug
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Drei Superfamilien von Ionenkanälen
5 Untereinheiten mit jeweils 4
Transmembrandomänen (ACh-,
GABA-, Glycin-, Serotonin-Rezeptor)
12 identische Untereinheiten mit
jeweils 4 Transmembrandomänen
(Gap-Junction-Kanal)
4 Untereinheiten mit jeweils 6
Transmembrandomänen
(spannungsgesteuerte Kanäle)
(P-Region bildet Selektivitätsfilter)
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Ionenkanäle: Untersuchung durch Patch Clamp
Bestimmung des Stromflusses durch einen einzelnen Ionenkanal (Neher
und Sakmann, 1976)
(Kandel et al., Principles of Neural Science)
Prinzip: elektrisch dichte Verbindung zwischen dem
Glasrand der Messelektrode und der Zellmembran
(„Gigaseal“, kaum Leckströme)
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- Öffnen und Schließen des Kanals erfolgt in „bursts“ und ist schnell
- Kanal ist entweder offen oder geschlossen
- Anfang und Ende der „bursts“ repräsentieren die langsame Assoziation
bzw. Dissoziation des Liganden
- „Flickering“ repräsentiert Übergänge zwischen ligandengebundenen
offenen und geschlossenen Zuständen
Ionenkanäle: Untersuchung durch Patch Clamp
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Membranpotential
Ungleiche Verteilung von Ionen im Ruhezustand
Beispiel: Tintenfisch-Axon
Im Ruhezustand sind nur
Kaliumkanäle offen
Bildung eines
elektrochemischen
Gleichgewichts
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Membranpotential
Ungleiche Verteilung von Ionen im Ruhezustand
Beispiel: Tintenfisch-Axon
Gleichgewichtspotential: Nernst-Gleichung
-75 mV
Gleichgewichtspotential: Goldman-Gleichung (auch Goldman-Hodgkin-
Katz-Gleichung (GHK-Gleichung))
PK : PNa : PCl = 1.0 : 0.04 : 0.45
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Aktiver Ionentransport
Ionenlecks erfordern ständig aktiven Ionentransport über die Membran:
Natrium-Kaliumpumpe gegen den elektrochemischen Gradienten
( Energieverbrauch)
Pumpen arbeiten langsamer als Ionenkanäle:
103-104 Ionen/Sekunde (gegenüber Kanälen mit 107-108 Ionen/Sekunde)
Natrium-Kaliumpumpe (Na+-K+-ATPase)
- Elektrogen (3 Na+-Ionen gegen 2 K+-Ionen)
- Hydrolyse von 1 ATP-Molekül pro Zyklus
- Inhibition durch Digitalis-Alkaloid
- P-typ ATPase (Phosphatgruppe von ATP
wird transient auf die Pumpe übertragen)
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Aktiver Ionentransport
Reaktionszyklus der Natrium-Kaliumpumpe (Na+-K+-ATPase)
(Morth et al. (2011) A structural overview of the plasmamembrane Na+,K+-ATPase
and H-ATPase ion pumps. Nature Reviews Mol. Cell Biol. 12: 60-70)
Phosphorylierung wird durch Natrium-Bindung induziert
Dephosphorylierung wird durch Kalium-Bindung induziert
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Natrium-Kaliumpumpe (Na+-K+-ATPase)
• Natriumionen katalysieren die Phosphorylierung
des Enzyms nach ATP Hydrolyse
• Abspaltung von ADP initiiert die Öffnung der
Natriumbindetasche (“occlusion“)
• Freisetzung der Natriumionen nach erneuter
Konformationsänderung
• Dephosphorylierung öffnet die Kaliumbindetasche auf
der extrazellulären Seite („occlusion“)
• durch ATP Anlagerung werden Kaliumionen auf der
intrazellulären Seite freigesetzt
• Bindung von Kaliumionen auf der extrazellulären Seite
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Ca-Pumpe
- Elektrogen (2 Ca2+-Ionen gegen 2
Protonen)
- Hydrolyse von 1 ATP-Molekül pro Zyklus
- P-typ ATPase (Phosphatgruppe von ATP
wird transient auf die Pumpe übertragen)
- Neurone haben wenige Ca2+-Pumpen
(stattdessen meist Na-Ca2+-Kotransporter)
Aktiver Ionentransport
Zelluläre Ca2+-Konzentration ist normalerweise sehr niedrig: 50-100 nM,
extrazellulär ungefähr 2 mM
Ähnliche Struktur von Na-K-
und Ca2+-Pumpe
(10 Transmembrandomänen)
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Sekundärer aktiver Ionentransport
Ca2+-Transporter und Antiporter