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, Ca 2+ - 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, Ca 2+ - 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
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Kapitel M1: Einführung. Phospholipide und Membranen: Mizellen, Bilipidschicht, Diffusion: 1. Ficksches Gesetz; Permeabilität; Leitwert und Kapazität; Membranwirkung von Drogen
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 )
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
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
Nikotinischer Acetylcholin - Rezeptor : Kanalprotein und Rezeptor für ACh
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
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+
Prof. Stephan Frings, Zoologisches Institut, Universität Heidelberg
-30 mV
0 mV
Prof. Stephan Frings, Zoologisches Institut, Universität Heidelberg
-80 mV
0 mV
Prof. Stephan Frings, Zoologisches Institut, Universität Heidelberg
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 )
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
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”
Beispiel Ruhemembranpotential :
Der Gesamtleitwert einer Zelle beruhe
zu 90 % auf kaliumpermeablen Kanälen: fK = g
K / g
total = 0.1 und
zu 10 % auf natriumpermeablen Kanälen: fNa
= 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.
Beispiel Ruhemembranpotential :
Der Gesamtleitwert einer Zelle beruhe
zu 10 % auf kaliumpermeablen Kanälen: fK = g
K / g
total = 0.1 und
zu 10 % auf natriumpermeablen Kanälen: fNa
= 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
Kapitel M1: Einführung. Phospholipide und Membranen: Mizellen, Bilipidschicht, Diffusion: 1. Ficksches Gesetz; Permeabilität; Leitwert und Kapazität; Membranwirkung von Drogen
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
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
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
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
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
Einige klinische Bezüge I
● Blocker von Ionenkanälen: Beispiele:- Nifedipin blockt Ca2+-Kanäle: Hypertonie, Herzrhythmusstörungen- Schlangen- und Skorpiongifte: Ionenkanalblocker: Lähmungen, Krämpfe,