: Einführung. Phospholipide und Membranen: Mizellen ...stud.neuro-physiol.med.uni-goettingen.de/uploads/WiS2014_2015/Schild/... · Ionenkanäle Die Permeabilität von Ionenkanälen

Kapitel M1: Einführung. Phospholipide und Membranen: Mizellen, Bilipidschicht, Diffusion: 1. Ficksches Gesetz; Permeabilität; Leitwert und Kapazität; Membranwirkung von Drogen

Kapitel M2: Transportproteine: K+/Na+ - ATPase, Ca2+ - ATPasen, Gradienten-abhängige Transportproteine

Kapitel M3: Ionenkanäle: Struktur, Spannungsabhängigkeit, Selektivität und Permeabilität; spannungs- und ligandengesteuete Ionenkanäle, gap junctions

Kapitel M4: Physiologische Ionenverteilung: Donnan – Gleichgewicht, Nernstgleichung an Plasmamembran, Zusammenspiel verschiedener spannungsabhängiger Leitwerte in Zellmembranen, Goldmanngleichung

Kapitel M5: Elektrische Signalverarbeitung an Zellen: Ionotrope und metabotrope Rezeptoren. Inhibition, Elektrotonus.

Kapitel M6: Aktionspotential (AP): Entstehung, beteiligte Leitwerte,

AP: Refraktärzeiten, pos. Rückkopplung, Ca2+ - Wirkung auf Leitwerte (Tetanie, etc), versch. Formen von APs an Muskel und Herz,APs: modulierende Einflüsse, Kodierung der AP-rate

Kapitel M7: Fortleitung von APs auf nichtmyelinisierten und myelinisierten Nervenfasern. Summenaktionspotential und seine Messung. Wirkung von APs an Axonterminalen

2. Ströme durch biologische Membranen durch

a) Pumpen ( etablieren Ionenungleichgewichte; Kap. 2.1 )

- ATP – getrieben: primär aktiver Transport- Na/K – ATPase - PM- CaATPase

- Ionengradient – getrieben: sekundär aktiver Transport- Aminosäure / Na-Cotransort- Glucose / Na-Cotransort

b) Poren/Kanäle (Kap. 2.2)

erlauben einen schnellen Fluß von Ionen über die PM

c) gap junctions

Ionenkanäle

Die Permeabilität von Ionenkanälen kann

- von Liganden

- von der Membranspannung um

- oder von beiden abhängen

Daher die Unterteilung in

1) durch Liganden gesteuerte Kanäle

2) spannungsgesteuerte Ionenkanäle,

- Aktivierung Öffnen der Pore- Deaktivierung Schließen der Pore- Inaktivierung Zytosolische Peptidkette verstopft den Poreausgang- Deinaktivierung Zytosolische Peptidkette gibt den Poreausgang frei

Ionenkanäle


- von Liganden





2) spannungsgesteuerte Ionenkanäle,


Nikotinischer Acetylcholin - Rezeptor : Kanalprotein und Rezeptor für ACh

Ionenkanäle


- von Liganden





2) spannungsgesteuerte Ionenkanäle


1 2 3 4 1 2 3 41

43

2

Molekulare Struktur eines Ionenkanals

Spannungssensor: positive Ladungen IN der Membran

geschlossen offen geschlossen nicht aktiviert aktiviert aktiviert nicht inaktiviert nicht inaktiviert inaktiviert

-80 mV

0 mV

Prof. Stephan Frings, Zoologisches Institut, Universität Heidelberg

-30 mV

0 mV

Na+


-30 mV

0 mV


-80 mV

0 mV


Zusammenfassung Ionenkanäle

2.1 Ionenkanäle sind Porenproteine - Permeabilität moduliert durch: a) um : Aktivierung/Inaktivierung

b) Agonisten, z.B. ACh oder GABA. GABA(A) -Rezeptorkanal auch Rezeptor für Benzodiazepine und Barbiturate

c) a) + b), z.B. Ca2+-abh. Kaliumkanal, d.h. spannungsabh. Leitfähigkeit, die mit steigender [Ca2+]i zunimmt.

- Selektivität: Viele Kanäle sind überwiegend für eine Sorte von Ionen permeabel: z. B. für Na+, K+, Ca+, Cl- .

Es gibt aber auch unspezifische Kanäle, z.B. für Kationen.

- Leitwert einzelner Ionenkanäle: liegt bei den meisten Kanälen zwischen 1 und 250 pS, d. h., bei z.B. u = 100 mV : I = u = 10 pA

(entspricht etwa 10.000 - 100.000Ionen / ms)

2. Ströme durch biologische Membranen durch

a) Pumpen ( etablieren Ionenungleichgewichte; Kap. 2.1 )

- ATP – getrieben: primär aktiver Transport- Na/K – ATPase - PM- CaATPase

- Ionengradient – getrieben: sekundär aktiver Transport- Aminosäure / Na-Cotransort- Glucose / Na-Cotransort

b) Poren/Kanäle (Kap. 2.2)

erlauben einen schnellen Fluß von Ionen über die PM

c) gap junctions

Elektrische Synapsen (bidirektional, modulierbar)Beisp.: Glia, Retina, Herzvorhofzellen

Gap junctions sind Poren von eine Zelle in eine benachbarte Zelle

Gap junctions sind Poren von eine Zelle in eine benachbarte ZelleGap junctions sind Poren von eine Zelle in eine benachbarte Zelle

Gap junctions sind Poren von eine Zelle in eine benachbarte Zelle

Gap junctions versus tight junctions



Kapitel M3: Ionenkanäle: Struktur, Spannungsabhängigkeit, Selektivität und Permeabilität; spannungs- und ligandengesteuete Ionenkanäle; gap junctions;






Strom durch Ionenkanäle lädt den Membrankondensator um, verändert die Membranspannung

Viele Kaliumkanäle sind unter Normalbedingungen immer etwas geöffnet !!!

Unterschiedliche Verteilung eines Ions über einerelektrisch polarisierten Membran, z. B. [K+]i >> [K+]a

⇒ Diffusion: K+ nach aussen

⇒ Εlektrisches Feld: K+ nach innen

Im Gleichgewicht gilt :

Fluss nach aussen = Fluss nach innen (Urs.: Diffusion) (Urs.: el. Feld)

In diesem Gleichgewicht liegt über der Membran die Spannung:

(Nernst) (R: Gaskonstante, T: Temperatur in K, z: Valenz und F: Faradaykonstante.)uK =

RTzF

⋅ln[K ]o[K ]i

uK = 25mV⋅ln[K ]o

[K ] i= −56mV⋅log

[K ]i

[K ]o

Physiologisches Beispiel: [K+]i = 140 mM und [K+]o = 5 mM

⇒ uK = -56 mV log (140/5) = - 83 mV

uK heißt Kaliumgleichgewichtsspannung oder Kalium - Nernstspannung.

Bedeutung: Ist um = uK , d.h. ( um- uK ) = 0 , so fließt kein Kaliumstrom IK .

Das heißt: ist um > u

K : Strom nach außen

und ist um < u

K : Strom nach innen

Dieselben Überlegungen gelten auch für alle anderen Ionensorten,

(z. B. für Na+) und führen für jede Ionensorte zu einem entsprechenden

Gleichgewichtspotential

Beispiel: Bei den physiologischen Werten [Na+]i = 10mM und [Na+]a = 145 mM

⇒ uNa = 56 mV log ( 145 / 10 ) = + 67mV

Bedeutung:

Ist um = uNa , d.h. ( um- uNa ) = 0 ,

so fließt kein Natriumstrom INa

.

Ion Innen Aussen UNernst

[mM] [mM] [mV]

Na+ 5 - 15 145 + 67

K+ 140 5 - 83

Ca2+ ≤ 10-4 2,5 - 5 + 126 (geb.: 1-2)

Cl- 4 110 - 82

Was für eine Membranspannung ergibt sich bei diesen Nernstspannungen ???

Das Ohmsches Gesetz ( I = u / R = g u ) wird wegen der unterschiedlichen Ionen – Konzentrationen an Membranen ersetzt durch:

Strom = Leitfähigkeit ⋅ treibende Spannung IK = gK ⋅ ( um - uK ) ,

INa = gNa ⋅ ( um - uNa ) , etc.

Gesamtstrom: Iges = IK + INa + . . .

Das Ohmsches Gesetz ( I = u / R = g u ) wird wegen der unterschiedlichen Ionen – Konzentrationen an Membranen ersetzt durch:

Strom = Leitfähigkeit ⋅ treibende Spannung IK = gK ⋅ ( um - uK ) ,

INa = gNa ⋅ ( um - uNa ) , etc.

Gesamtstrom: Iges = IK + INa + . . .

Im Gleichgewicht ist Iges = 0 , d.h.

g K⋅um−g K⋅u K gNa⋅um−gNa⋅uNa . . . = 0

⇒ um =gK⋅u K gNa⋅uNa . . .

gtotal

Die Terme fK = g

K / g

total , f

Na = g

Na / g

total , etc. definieren den

relativen oder fraktionalen (daher: f) Kaliumleitwert, den relativen

Na-Leitwert, etc.

Damit erhält man eine sehr einfache Formel für die

Membranspannung :

Das Membranpotential ist demnach (im Gleichgewicht) ein

“Mischung” aus allen Nernstspannungen und liegt bei der

Nernstspannung derjenigen Ionensorte, für die die Membran am

besten leitet.

⇒ um = f K ⋅u K f Na ⋅uNa . . .

Beispiel Ruhemembranpotential :

Der Gesamtleitwert einer Zelle beruhe

zu 90 % auf kaliumpermeablen Kanälen: fK = g

K / g

total = 0.9 und

zu 10 % auf natriumpermeablen Kanälen: fNa

= gNa

/ gtotal

= 0.1

Dann ist um = f

Ku

K + f

Na u

Na

= 0.9 uK + 0.1 u

Na

= 0.9 ( - 90 mV ) + 0.1 ( 60 mV )

= -81 mV + 6 mV

= -75 mV.

“ Das Ruhe-Membranpotential besteht also zu 90 % aus uK und zu 10 % aus u

Na”




K / g

total = 0.1 und


= gNa

/ gtotal

= 0.9

Dann ist um = f

Ku

K + f

Na u

Na

= 0.1 uK + 0.9 u

Na

= 0.1 ( - 90 mV ) + 0.9 ( 60 mV )

= -9 mV + 54 mV

= +45 mV.




K / g

total = 0.1 und


= gNa

/ gtotal

= 0.1

zu 80 % auf unspez. Kationenkanälen: fcat

= gcat

/ gtotal

= 0.8

Dann ist um = f

Ku

K + f

Na u

Na+ f

cat u

cat

= 0.1 uK + 0.1 u

Na + 0.8 u

Na

= 0.1 ( - 90 mV ) + 0.1 ( 60 mV ) + 0.8 ( 0 mV )

= - 9 mV + 6 mV

= - 3 mV

Das Nerstpotential von unspezifischen Kationenkanälen liegt bei 0 mV !!!

Alternative Formulierung für den Zusammenhang von Membranspannung und Ionenkonzentrationen (Goldmann-Gleichung) :

Da an Neuronen unter Ruhebedingungen PK viel größer ist als PNa , PK

oder PCl

ergibt sich hieraus näherungsweise die Nernstgleichung :

d.h. um ~ uK .

um=

RT

F⋅ln

PK⋅[K ]

oP

Na⋅[Na ]

oP

Cl⋅[Cl ]

i . . .

PK⋅[K ]

iP

Na⋅[Na ]

iP

Cl⋅[Cl ]

i . . .

um ≈RTF⋅ln

[K ]o[K ]i









Signalverarbeitung an Neuronen:

Modulation von um durch äussere Einflüsse

an Sensoren/Rezeptoren oder Synapsen

Generierung von Aktionspotentialen

Erregung = Excitation :

Aktivierung ( = Öffnen )

- von ligandengesteuerten unspezifischen Kationenkanälen ( ucat

= 0 ):

⇒ Depolarisation -> 0 mV

Rezeptorpotentiale oder Exzitatorische PostSynaptische Potenitale

- von spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumkanälen:

⇒ Aktionspotential

Hemmung = Inhibition :

Es werden K+ oder Cl- - Kanäle geöffnet, die um stabilisieren und einer Erregung

entgegenwirken (“Kurzschluss”)

Erregung und Hemmung können direkt oder indirekt erfolgen:

Direkt: Aktivierung von Rezeptorkanalproteinen

-> schnell (ca. 1 ms), aber wenig empfindlich

Indirekt: Aktivierung einer „second messenger” - Kette (cAMP, IP3)

-> langsamer als a, aber viel höhere Wirkung

(mehrere Verstärkungsfaktoren)

Akt. & Inaktivierung von Kanälen

Ionenfluß durch ligandengesteuerte Kanäle

Ligand, z.B.Transmitter

Strom

Änderung derMembranspannung

Ionenfluß durch spannungsgesteuerte Kanäle

Strom

um = f K ⋅uK f Na ⋅uNa . . .

Signalfortleitung an Neuronen:

1. Elektrotonische Ausbreitung von Signalen

2. Fortleitung von Aktionspotentialen

- auf unmyelinisierten Nervenfasern

- auf myelinisierten Nervenfasern

Elektrotonische Ausbreitung (vor allem auf Dendriten) :

Elektrotonische Signalausbreitung :

- Erregung an einem Punkt im Dendritenbaum

- Signalausbreitung über Dendriten in (gedachten) Segmenten

- jedes Segment wird kapazitiv umgeladen ( = depolarisiert )

- in jedem Segment fließt ein Leckstrom über die Membran ab

- die erregende Wirkung, d.h. die Depolarisation ∆u

nimmt daher längs des Dendriten exponentiell ab

- die Strecke,

nach der die anfängliche Depolarisation auf 1/e ( = 37 %)

abgenommen hat, heißt elektrotonische Längskonstante λ :

∆u(λ) = ∆u(0) / e

- mit dem Membranwiderstand Rm und Innenwiderstand R

i kann man λ

berechnen: = Rm /Ri

Kapitel M1: Einführung. Phospholipide und Membranen: Mizellen, Bilipidschicht, Diffusion: 1. Ficksches Gesetz; Permeabilität; Leitwert und Kapazität








Signalfortleitung an Neuronen:

1. Elektrotonische Ausbreitung von Signalen

2. Fortleitung von Aktionspotentialen

- auf unmyelinisierten Nervenfasern

- auf myelinisierten Nervenfasern

geschlossen offen geschlossen nicht aktiviert aktiviert aktiviert nicht inaktiviert nicht inaktiviert inaktiviert

Tintenfische fliehen durch Impulserhaltung, Riesenaxon und Aktionspotential

Wichtige Details/Definitionen zum Aktionspotential:

- Alle Zellen, die APs bilden können, heißen erregbar.

- Alles-oder-Nichts -Regel: Hat um die Aktivierungsschwelle der Na+ - Kanäle überschritten,

dann kann das AP nicht mehr abgebrochen werden.

- Refraktärzeit:

- absolute: Na+ - Kanäle sind inaktiviert

- relative: weitere Leitfähigkeiten erniedrigen die Empflindlichkeit ( ∆u/∆I )

- Erhöhte [Ca2+] stabilisiert die Membran : verschiebt g(u) - Kurven nach rechts

- Erniedrigte [Ca2+] verschiebt g(u) - Kurven nach links: Erregbarkeit steigt.

- Modulierende Mechanismen:

z.B.: Ca2+ - abhängige Kaliumkanäle erniedrigen die Erregbarkeit

Kapitel M1: Einführung. Phospholipide und Membranen: Mizellen, Bilipidschicht, Diffusion: 1. Ficksches Gesetz; Permeabilität; Leitwert und Kapazität






AP: Refraktärzeiten, pos. Rückkopplung, Ca2+ - Wirkung auf Leitwerte(Tetanie, etc), versch. Formen von APs an Muskel und Herz,APs: modulierende Einflüsse, Kodierung der AP-rate


Einige klinische Bezüge I

● Blocker von Ionenkanälen: Beispiele:- Nifedipin blockt Ca2+-Kanäle: Hypertonie, Herzrhythmusstörungen- Schlangen- und Skorpiongifte: Ionenkanalblocker: Lähmungen, Krämpfe,

außerdem: Gerinnungsstörungen

● Fingerhut: Ouabain = Strophantin, blockt Na/K - PumpeDigitalispräparate

● Na/Ca – Antiport Behandlung der Herzinsuffizienz(a) partieller Block der Na/K-Pumpe(b) Verminderter Na/Ca - Antiport -> positive Inotropie

● Tollkirsche: Atropin/Scopolamin Parasympatholytikum: weite Pupille: Netzhautspiegelung,Herzfrequenzsteigerung

● gap – junctions Signalausbreitung Herzvorhöfe, Auflösungsvermögen der Retina

Einige klinische Bezüge II

● Lokalanaesthetika blockiert Natriumkanäle an dünnen Nervenfasern:z.B. Schmerz leitende C-Fasern

● nACh – Kanäle Myasthenia pseudoparalytica gravis (autoimmun)Muskelrelaxation bei der Narkose,Nervengifte

● GABA – Kanäle moduliert (i.S. einer höheren Leitfähigkeit) durch Alkohol, Barbiturate,und tranquilizer - > Schlaf- und NarkosemittelEpilepsie (petit mal) - Behandlung (Clonazepin)

● extrazelluläre [Ca2+] zu niedrig: Hyperventilationssyndrom - > erhöhte Erregbarkeit, Tetaniezu hoch: bei Hyperparathyreodismus:

zu viel Parathormon bei Adenom, Carcinom

● Saltatorische Leitung, Myelin Schnelle Reflexe, Parästhesien,Multiple Sklerose, Schlaffe Lähmungen = Paresen

1.) Wie entsteht das Ruhepotential?

2.) Wie entsteht das Aktionspotential? Durch welche Ionenströme wird es getragen? Welche maximale

Amplitude kann es erreichen?

3.) Nach dem Aktionspotential gibt es (bei den meisten Nervenzellen) eine Hyperpolarisation (Nachpotential)

bzw. eine Refraktärzeit. Erläutern Sie diese Ereignisse!

4.) Mit welcher Messanordnung kann man bei Nervenzellen Ionenströme messen?

5.) Welche Vorteile bietet die Patch-Clamp Technik und auf welchem Prinzip basiert sie?

6.) Wie sind spannungsabhängige Ionenkanäle aufgebaut, wie funktionieren sie?

7.) Nennen Sie die wichtigsten Bauteile einer Nervenzelle! Welche Funktionen haben diese? Worin

unterscheiden sich die beiden Haupttypen von Zellfortsätzen?

8.) Worin unterscheiden sich Gliazellen von Nervenzellen?

9.) Weshalb haben Mitochondrien bei Nervenzellen eine besonders große Bedeutung?

10.) Wie kann man aus der Primärstruktur eines Proteins Rückschlüsse auf seine Membrantopologie

schließen?

11.) Wie entsteht das Membranpotential, wie kann man es messen?

12.) Wie wird in einer Nervenfaser eine kontinuierlicheFortleitung von Impulsen (z.B. Aktionspotential)

bewerkstelligt? Wie wirkt sich der Fasendurchmesser (Axondurchmesser) auf die Leitungsgeschwindigkeit

aus?

13.) Erläutern Sie die Funktionsweise der Natrium-Kalium Pumpe und deren Wirkung!

14.) Erläutern Sie den strukturellen Aufbau (Sek-, Tertiär- und Quartärstruktur) spannungsgesteuerter

Ionenkanäle (Na+-, Ca2+- und K+-Kanäle) !

15.) Was ist ein Selektivitätsfilter und wo findet man ihn (ein Beispiel)?

16.) Wie hängen Membranpotential und Nernstspannungen zusammen ?

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