Neurobiologie Teil 1

1.) Wie entsteht das Ruhepotential?
Neuronen (Nervenzellen) halten an ihrer Außen- oder Plasmamembran ein elektrisches
Ladungsgefälle von rund -65mV/-70 mV aufrecht, kurz Ruhepotential. Es entsteht durch eine
ungleiche Verteilung von Natrium-, Kalium- und Chloridionen sowie organischen Anionen
beiderseits der Zellmembran und aus der Permeabilität der nicht erregten Membran für
Kaliumionen. Diese Faktoren führen dazu, dass die Innenseite der Nervenzellmembran im
Vergleich zur Außenseite negativ geladen ist. Man definiert dabei das Potential der
Außenseite willkürlich mit 0, so dass das Ruhepotential eben gerade diese -65/-70mV beträgt.
2.) Wie entsteht das Aktionspotential? Durch welche Ionenströme wird es getragen?
Welche maximale Amplitude kann es erre ichen?
Die elektrischen Signale, die über das Axon fortgeleitet werden, heißen Aktionspotentiale. Sie
sind schnelle und kurzlebige Alles-oder-Nichts (all-or-none response) Nervenimpulse mit
einer Amplitude von 100 Millivolt und einer Dauer von etwa 1 Millisekunde.
Aktionspotentiale entstehen am Axonhügel (axon hillock) und werden unverzerrt von 1 mit
bis zu 100 Metern pro Sekunde längs des Axons weitergeleitet. Die Amplitude des
Aktionspotentials bleibt über die ganze Länge des Axons konstant, da der Alles-oder-Nichts
Impuls sich während seiner Wanderung entlang des Axons ständig regeneriert.
Doch wie entsteht nun ein Aktionspotential? Eine Verringerung des Membranpotentials einer
Nervenzelle um 10mV auf -55/-60mV (siehe 1.) löst ein Aktionspotential aus. Das
Membranpotential wird dadurch vorübergehend auf 0 gebracht, dann sogar die Polarität
kurzzeitig umgekehrt. Das Aktionspotential ist eine elektrische Veränderung, die sich
(während dieser Umkehr) über das Axon fortpflanzt. Während des Aktionspotentials wird die
Zellmembran kurzfristig und plötzlich hochpermeabel für Natriumionen. Nach einer gewissen
Verzögerung kehrt die Membran wieder in ihren Ruhezustand mit hoher Kaliumpermeabilität
zurück. Durch die bereits erwähnte Regeneration des Aktionspotentials bleibt die Amplitude
von der Entstehung bis zum Bestimmungsort gleich.
Also welche Ionenströme sind bei der Entstehung des Aktionspotentials beteiligt? Kurz
gesagt, erzeugt der Ionenfluss durch spannungsgesteuerte Kanäle das Aktionspotential. Das
aufeinander folgende Öffnen von spannungsgesteuerten Na+- und K+-Kanälen verursacht
genauer gesagt dieses Aktionspotential. Im Detail bedeutet dies, dass die Entstehung des
Aktionspotentials durch mehrere, nacheinander ablaufende Ereignisse entsteht. Eine
Depolarisation der Membran verursacht das plötzliche Öffnen der Na+-Kanäle, was zu einem
Na+-Einwärtsstrom führt, der wiederum, durch Entladung des Membrankondensators, eine
noch stärkere Depolarisation bewirkt und damit noch mehr Na+-Kanäle öffnet. Der
Einwärtsstrom nimmt somit weiter zu.
Durch diesen positiven Rückkopplungsmechanismus entsteht das Aktionspotential. Diese
hervorgerufene Depolarisation begrenzt im Nachhinein die Dauer des Aktionspotentials.
Erstens inaktiviert sie mit der Zeit die Na+-Kanäle und senkt somit die Natriumleitfähigkeit.
Zweitens öffnet sie mit einiger Verzögerung die spannungsgesteuerten K+-Kanäle, wodurch
die Kaliumleitfähigkeit zunimmt. Dem Na+-Einstrom folgt also ein K+-Ausstrom, der die
Membran wieder repolarisiert.
3.) Nach dem Aktionspotential gibt es (bei den meisten Nervenzellen) eine
Hyperpolarisation (Nachpotential = afterpotential) bzw. eine Refraktärzeit (refractory
period). Erläutern Sie diese Ereignisse!
Hyperpolarisation: Diese Zunahme des Membranpotentials entsteht, weil die K+-Kanäle, die
sich während der späten Phase des Aktionspotentials öffnen, sich erst einige Zeit nach der
Rückkehr des Membranpotentials auf seinen Ruhewert wieder schließen. Es dauert nämlich
einige Millisekunden, bis alle spannungsgesteuerten K+-Kanäle wieder in den geschlossenen
Zustand übergehen. Nur in dieser Zeit herrscht also eine leichte Hyperpolarisation.
Refraktärzeit: Die absolute Refraktärzeit schließt sich direkt an das Aktionspotential an.
Während dieses Zeitraums, ist es unmöglich, die Zelle anzuregen, ganz egal wie stark der
angelegte Reizstrom auch sein mag. Dieser Phase folgt unmittelbar die relative Refraktärzeit,
in welcher eine Anregung der Zelle zwar möglich ist, jedoch nur mit weitaus stärkeren Reizen
als normal üblich bzw. nötig. Beide Refraktärperioden wirken zusammen nur wenige
Millisekunden und tragen dazu bei, die verbleibenden Na+-Kanäle zu inaktivieren und das
verzögerte Schließen der K+-Kanäle zu verursachen.
4.) Mit welcher Messanordnung kann man bei Nervenzellen Ione nströme messen?
Mit Hilfe der Voltage-Clamp-Technik (Spannungsklemmen-Technik) ist dies möglich. Dabei
besteht der Aufbau aus einer Stromquelle, verbunden mit 2 Elektroden (intra- und
extrazellulär). Durch Injektion eines Stroms durch die Membran führt man einen
Depolarisationswert (von Hand festlegbar, kontrollierbar) des Membranpotentials herbei,
wodurch sich Na+- und Ka+-Kanäle öffnen. Die so entstehenden Na+- und Ka+-Ströme
würden normalerweise das Membranpotential verändern, jedoch greift hier die
Spannungsklemme ein. Kurz gesagt erzeugt der Voltage-Clamp-Stromkreis einen dem in die
Zelle fließenden Na+-Einstrom entgegen gerichteten, gleich großen Strom. Somit steuert
dieser Stromkreis automatisch jedem Strom durch die Membran entgegen, um eine
Veränderung des zuvor festgelegten Membranpotentials zu verhindern. Die Voltage-Clamp
Technik ist quasi ein negativer Rückkopplungsmechanismus, in dem der gelieferte Endwert
(hier: das gemessene Membranpotential) mit dem von Hand festgelegten Wert (SollSpannung) verglichen wird. Jede Abweichung dieser Werte voneinander wird letztendlich
also automatisch kompensiert, kurzum der Soll-Spannung angepasst. Damit diese im
Millivoltbereich liegenden Differenzen gut messbar sind, werden sie durch einen
Rückkopplungsverstärker mehrere tausend Male verstärkt. Auf diese Weise können
Ionenströme gemessen werden, jedoch nicht einzelne Ströme.
5.) Welche Vorteile bietet die Patch-Clamp Technik und auf welchem Prinzip basiert
Zunächst einmal basiert diese Technik auf der Voltage-Clamp-Technik, wobei der wohl
wichtigste Vorteil darin liegt, dass man den Strom durch einzelne Ionenkanälen messen und
analysieren kann, ganz im Gegensatz zur Voltage-Clamp-Technik.
Dabei wird eine feine (Spitzendurchmesser etwa 1 Mikrometer) Glaspipette gegen die
Membran einer Muskelfaser gepresst. Die Pipette ist mit einer Salzlösung (Acetylcholin)
gefüllt, die in etwa der Zusammensetzung einer extrazellularen Flüssigkeit entspricht. Eine
Metallelektrode innerhalb dieser Lösung stellt die Verbindung mit einer speziellen
Messanordnung her, die den Strom misst, der durch die Ionenkanäle in der Membran unter
der Pipettenspritze fließt.
6.) Wie sind spannungsabhängige Ionenkanäle aufgebaut, wie funktionieren sie?
Im Prinzip kann man sagen, dass Ionenkanäle integrale Membranproteine sind, die die
Lipiddoppelschicht durchspannen. Ionenkanäle aller Zellen haben mehrere charakteristische
Eigenschaften gemeinsam:
- Ionen fließen passiv durch einen Kanal.
- Das Öffnen von Kanälen ist mit Konformationsänderungen verbunden.
- Abwandlungen von jedem Kanaltyp kann man in den verschiedenen Geweben finden.
- Die Gene für die Ionenkanäle lassen sich in Familien einteilen.
Weitere grundlegende Eigenschaften von Ionenkanälen:
- Sie „leiten“ Ionen.
- Sie unterscheiden und selektieren zwischen bestimmten Ionen, d.h. nur bestimmten Arten
von Ionen ist es erlaubt, durchzutreten. Beispiel: Das Ruhemembranpotential von
Nervenzellen wird hauptsächlich von Kanälen bestimmt, die selektiv für K+-Ionen sind,
die Permeabilität für Na+-Ionen, ist dabei ca. 100- fach geringer. Beim Aktionspotential
liegt (fast) der umgekehrte Fall vor, die Permeabilität für K+-Ionen ist dabei ca. 20- fach
geringer als für Na+-Ionen.
- Sie öffnen und schließen sich als Reaktion auf bestimmte elektrische, chemische oder
mechanische Reize
Ionenkanäle werden auf 3 verschiedene Arten gesteuert: durch Spannung (voltage-gated),
durch chemische Substanzen (ligand-gated) und durch mechanische Einwirkung, Druck oder
Dehnung (mechanically- gated).
Wie funktionieren also nun Ionenkanäle, und wie sind diese genau aufgebaut? Anhand des
Beispiels von Nervenzellen wird dies im Folgenden erläutert:
Die Plasmamembran von Nervenzellen besteht aus einem Mosaik von Proteinen und Lipiden.
Die Membran selbst besteht aus einer Lipiddoppelschicht, in der Proteine, wie z.B.
Ionenkanäle, eingebettet sind. Die Lipide der Membran sind wasserunlöslich (hydrophob),
die Ionen (K+-, Na+-Ionen) im Zellinneren und außerhalb der Zelle ziehen aber
Wassermoleküle an. Sie sind hydrophil (wasserfreundlich), so dass die Wassermoleküle eine
Art Hydrathülle um die Ionen herum bilden. Ionen durchdringen die Membran ausschließlich
durch spezialisierte Poren oder Öffnungen, wie z.B. Ionenkanäle. Ionenkanäle sind Poren
bildende Proteinmoleküle und nicht einfach nur Löcher in der Lipiddoppelschicht der
Membran einer Nervenzelle. Wie bereits erwähnt, arbeiten Ionenkanäle selektiv. Kanäle, die
selektiv für K+-Ionen sind, lassen auch nur diese besonders gut hindurch.
Doch wie wird dies bewerkstelligt? K+-Ionen (0,133 nm) haben im Vergleich zu Na+-Ionen
(0,095 nm) einen viel größeren Ionendurchmesser. Kanäle, die K+-Ionen durchlassen,
müssten demnach auch problemlos Na+-Ionen durchlassen (da letztere ja sehr viel kleiner
sind), wenn man sich nur auf den reinen Ionendurchmesser als Begründung bezieht. Dieser
Ansatz scheint also nicht die Selektivität zu erklären. Jedoch weiß man, wie weiter oben
beschrieben, dass Ionen von einer Hydrathülle umgeben sind. Na+-Ionen besitzen ein
stärkeres, sie umgebendes elektrisches Feld als K+-Ionen aufgrund des geringeren
Ionendurchmessers. Kurz gesagt, führt dies dazu, dass Na+-Ionen eine größere Hydrathülle
bilden als K+-Ionen, so dass im Endeffekt sich Na+-Ionen so verhalten, als würden sie größer
sein als K+-Ionen, obwohl sich die Ionendurchmesser entgegengesetzt verhalten. Na+-Ionen
bewegen sich deswegen nicht nur viel langsamer als K+-Ionen durch eine Lösung, sie sind
mit ihrer Hydrathülle sogar effektiv größer als K+-Ionen. So ist die K+-Ionen selektive
Kanalpore gerade einmal so groß, dass K+-Ionen passieren können, Na+-Ionen jedoch nicht,
weil sie „physisch“ zu groß sind.
Diese Modellvorstellung erklärt allerdings noch nicht, weshalb es auch Na+-Ionen selektive
Kanäle gibt. Man kam zu der Theorie, dass Natriumkanäle innerhalb der Kanalpore eine Art
Selektivitätsfilter mit einer schwachen Bindungsstelle für Na+-Ionen besitzen. Ein Na+-Ion
bindet an dieser aktiven Stelle vorübergehend beim Passieren des Filters. Ein Großteil seiner
Hydrathülle wird dabei durch schwache chemische Bind ungen (hier: elektrostatische
Wechselwirkungen) mit polaren Aminosäureresten ersetzt. Diese Substitution (nochmals:
Teile der Hydrathülle werden durch Aminosäurenreste ersetzt) ist für Ionen energetisch
äußerst ungünstig. Ein Ion würde nur dann den Kanal durchqueren „wollen“, wenn der
Energiegewinn aus der Bindung mit dem Selektivitätsfilter den (teilweisen) Verlust der
Hydrathülle kompensiert. Beim Na+-Ion ist dies der Fall, beim K+-Ion hingegen nicht, da
durch die elektrostatischen Wechselwirkungen mit der negativen Ladung am Filter das K+Ion nicht so gut stabilisiert werden kann. Mit anderen Worten: Im Falle des K+-Ions würde
der Energiegewinn aus der Bindung mit dem Selektivitätsfilter den teilweisen Verlust der
Hydrathülle nicht kompensieren. Mit dieser Modellvorstellung können Na+-Ionen selektive
Kanäle erklärt werden.
7.) Nenne n Sie die wichtigsten Bauteile einer Nervenzelle! Welche Funktionen haben
diese? Worin unterscheiden sich die beiden Haupttypen von Zellfortsätzen?
Man unterscheidet erst einmal 3 Typen von Nervenzellen:
- 1.) Unipolare Zellen haben nur einen einzigen Zellfortsatz, von dem bestimmte Abschnitte
als rezeptive Oberfläche, andere als transmitterfreisetzende Endigungen dienen (typisch
für Wirbellose).
- 2.) Bipolare Zellen haben 2 Haupttypen von Zellfortsätze n(Dendrit, Axon), die funktionell
spezialisiert sind, wobei der Dendrit Informationen zum Zellkörper leitet und das Axon
diese an andere Zellen weiterleitet.
- 3.) Multipolare Zellen haben ein Axon und viele Dendriten (typisch für Säugetiere). Diese
Struktur ermöglicht einen enormen synaptischen Input.
Die wichtigsten Bestandteile einer Nervenzelle sind:
- Der Zellkörper (Soma / Perikaryon) ist das Stoffwechselzentrum einer Zelle. Er enthält
den Zellkern mit der Erbsubstanz der Zelle sowie das endoplasmatische Reticulum, wo die
Proteine der Zelle synthetisiert werden.
- Aus dem Zellkörper entspringen (für gewöhnlich) zwei Typen von Fortsätzen, die
Dendriten und das Axon. Die meisten Nervenzellen besitzen vielen Dendriten, die
Informationen anderen Zellen empfangen, aber meist nur ein einziges Axon. Das Axon
entspringt am Axonhügel (axon hillock) und ist die wichtigste Leitungseinheit der
Nervenzelle. Die elektrischen Signale, die über das Axon an andere Zellen fortgeleitet
werden, heißen Aktionspotentiale.
- Um die rasche Fortleitung von Aktionspotentialen zu garantieren, sind große Axone von
einer lipidreichen Isolierung umhüllt, dem Myelin. Diese Myelinscheide (auch
Markscheide) wird in gleichen Abständen von Ranvier-Schnürringen unterbrochen. An
diesen unisolierten Stellen wird das Aktionspotential regeneriert.
- Kurz vor seinem Ende verzweigt sich das Axon in feine Äste, die Kontakt zu anderen
Nervenzellen aufnehmen. Diese Kontaktpunkte nennt man Synapsen.
8.) Worin unterscheiden sich Gliazellen von Nervenzellen?
Hier die wichtigsten Unterschiede:
- Es gibt 10-50mal mehr Gliazellen als Nervenzellen, die letztere umgeben.
- Sie dienen als Stützelemente und geben dem Gehirn Halt und Struktur.
- 2 Typen von Gliazellen (Oligodendrocyten und Schwann-Zellen) bilden Myelin
- Einige Gliazellen (Mikroglia) beseitigen Zelltrümmer von verletzen oder abgestorbenen
Nervenzellen
- Die wichtigsten Gliazelltypen sind die Astrocyten und Oligodendrocyten im
Zentralnervensystem und die Schwann- Zellen im peripheren Nervensystem.
- Ruhemembrankanäle in Gliazellen sind ausschließlich K+-Ionen selektiv
- Ruhemembrankanäle in Nervenzellen sind für mehrere Ionenarten selektiv
9.) Weshalb haben Mitochondrien bei Nervenzellen eine besonders große Bedeutung?
Mitochondrien sind Zellbestandteile (natürlich auch von Nervenzellen), welche die
Energiegewinnung durch Zellatmung (biologische Oxydation) ermöglichen. Mitochondrien
sind die Kraftwerke der Zelle. Da das Gehirn sehr viel Elektrizität produziert (nicht zu
verwechseln mit der Elektrizität aus der Steckdose!!!), benötigt es erst einmal sehr viel
Energie, um überhaupt so viel Elektrizität produzieren zu können (wenn man an die Billionen
von Information denkt, die als elektrische Signale durch die Axone und Dendriten der
Nervenzellen wandern, ist dieser hohe Verbrauch nicht verwunderlich). Mitochondrien liefern
diese Energie. Man bedenke, dass das Gehirn ca. 1/3 der Gesamtenergie ausmacht, die der
Mensch täglich verbraucht! Mitochondrien besitzen zudem eine eigene DNA. Die
Energiefreisetzung erfolgt im Prinzip durch die Bildung von ATP, indem,
vereinfacht ausgedrückt, Sauerstoff und Glucose dazu benutzt werden (um Adenosin- TriPhosphat herzustellen). Außerdem erfolgt im Allgemeinen bei Zellen in den Mitochondrien
die Synthese von Fetten aus Kohlenhydraten (Aussage auch für Nervenzellen gültig?).
10.) Wie kann man aus der Primärstruktur eines Proteins Rückschlüsse auf seine
Membrantopologie schließen?
Aus der Aminosäuresequenz (es gibt 20 verschiedene Aminosäuren, die miteinander
kombiniert sein können) kann man mit Hilfe eines Hydropathiediagramms auf die
Sekundärstruktur (Membrantopologie) eines Membranproteins schließen. Anders
ausgedrückt: Die Topologie des Proteins kann man aus einem Hydropathiediagramm ableiten,
das man mit Hilfe eines Computers anhand der Aminosäurensequenz erstellt.
11.) Wie entsteht das Membranpotential, wie kann man es messen?
Über der inneren und äußeren Oberfläche der Membran einer jeden Nervenzelle gibt es eine
„Wolke“ von positiven und negativen Ionen. Im Ruhezustand hat die Nervenzelle einen
positiven Ladungsüberschuss an der Membranaußenseite und einen negativen
Ladungsüberschuss an der Membraninnenseite. Diese Ladungstrennung wird aufrecht
gehalten, weil sich Ionen nicht frei durch die Lipiddoppelschicht bewegen können (siehe
Frage 6). Dabei entsteht eine Spannung an der Membran, die man als Membranpotential
bezeichnet. Das Membranpotential einer Zelle im Ruhezustand nennt man Ruhepotential.
Eine Verminderung der Ladungstrennung durch Ein- und Auswärtsströme einer Zelle (durch
positiv geladene Kationen bzw. negativ geladene Anionen) führt zu einer so genannten
Depolarisation, eine Erhöhung der Ladungstrennung nennt man Hyperpolarisation. Erreicht
die Depolarisation eine kritischen Schwellenwert (threshold), antwortet die Zelle aktiv mit der
Öffnung von spannungsgesteuerten Ionenkanälen. Es entsteht ein Aktionspotential nach dem
Alles-oder-Nichts-Prinzip (siehe Frage 2). Wie misst man das Membranpotential?
Man legt dafür als Elektroden je eine mit Salzlösung gefüllte Glaspipette an die Innen- und
Außenseite der Zellmembran an. Die Pipetten sind physisch mit einem Oszillographen
verbunden, der die Amplitude des Membranpotentials in Volt anzeigt. Liegen beide
Elektroden an der Membran an, so zeigt der Oszillograph einen konstant bleibenden Wert von
ca. -65mV/-70mV an (Ruhepotential) an. Das Membranpotential kann mit Hilfe einer
Stromquelle und eines 2. Paares von Elektroden experimentell verändern. Führt man eine
Depolarisation herbei, die den Schwellenwert übersteigt, so antwortet die Zelle aktiv mit
einem Aktionspotential, dessen dann sichtbare Amplitude sich auf dem Oszillographen von
der des Ruhepotentials deutlich unterscheidet, auch von der Dauer her. Führt man eine
Hyperpolarisation herbei, so wird keine aktive Antwort der Zelle hervorgerufen.
12.) Wie wird in einer Nervenfaser (gemeint ist wohl das Axon) eine kontinuierliche
Fortleitung von Impulsen (z.B. Aktionspotential) bewerkstelligt? Wie wirkt sich der
Fasendurchmesser (Axondurchmesser) auf die Leitungsgeschwindigkeit aus?
Die schnelle Weiterleitung des Aktionspotentials ist funktionell von großer Bedeutung. Um
die Geschwindigkeit dieses Impulses zu erhöhen, hat die Evolution 2 unabhängige
Mechanismen entwickelt. Ein Mechanismus besteht darin, den Axondurchmesser zu
vergrößern, wie es z.B. beim Tintenfisch der Fall ist (hier gilt: je größer der Durchmesser,
desto schneller die Leitungsgeschwindigkeit). Er beträgt hier fast einen Millimeter. Der
zweite Mechanismus ist die Myelinisierung, also das Umwickeln des Axons mit den
Membranen von Gliazellfortsätzen. Funktionell wird dadurch die Membrandicke des Axons
erheblich vergrößert. Hierdurch wird ebenfalls die Leitungsgeschwindigkeit stark erhöht (hier
gilt: je dicker die Membran und außerdem je kleiner der Axondurchmesser, desto schneller
die Leitungsgeschwindigkeit). Zusammenfassend ist jedoch festzuhalten, dass beim letzteren
Mechanismus die Leitungsgeschwindigkeit noch größer ist als beim ersten Mechanismus.
Beispiele:
Tier
Myelinisierung
Axondurchmesser
Leitungsgeschwindigkeit
Katze
Ja
13 Mikrometer
75 Meter pro Sekunde
Frosch
Ja
18 Mikrometer
42 Meter pro Sekunde
Krabbe
Nein
30 Mikrometer
5 Meter pro Sekunde
Tintenfisch
Nein
500 Mikrometer
25 Meter pro Sekunde
Wie wird nun ein Imp uls (z.B. das Aktionspotential) kontinuierlich weitergeleitet?
Bei einer Nervenzelle mit myelinisiertem Axon wird das Aktionspotential am Axonhügel
ausgelöst. Anschließend wird durch den resultierenden Einwärtsstrom von Na+-Ionen (siehe
Frage 2) die Membrankapazität des daran anschließenden, myelinisierten Axonabschnitts
entladen. Die weg fließende Ladungsmenge im Axoninnern reicht jedoch nicht aus, um eine
Entladung auf der gesamten Länge des Axons zu gewährleisten. Das Aktionspotential würde
sich letztend lich „totlaufen“, also nicht bis zu den axonalen Endigungen kommen. Damit das
Aktionspotential weitergeleitet werden kann, ist die Myelinscheide alle 1 bis 2 Millimeter von
Ranvier-Schnürringen unterbrochen. Diese nicht-myelinisierten Bereiche sind zwar nur 2
Mikrometer lang, jedoch befinden sich dort zahlreiche, spannungsgesteuerte Na+Ionenkanäle. Sie erzeugen immer dann einen depolarisierenden Na+-Ionen Einwärtsstrom,
wenn eine (Depolarisation) Entladung hier ankommt (die sich übrigens ja passiv über das
Axon ausbreitet). Die Depolarisierung erreicht irgendwann wieder den Schwellenwert, bei
dem ein erneutes Aktionspotential ausgelöst wird. Somit wird ein kontinuierlicher Transport
des Impulses gewährleistet.
13.) Erläutern Sie die Funktionsweise der Natrium-Kalium Pumpe und deren Zweck!
Damit das Ruhemembranpotential einer Nervenzelle stabil bleibt, muss sie die
Ladungsverteilung an der Membran konstant halten, indem der passive Ausstrom von K+Ionen durch Ruhemembrankanäle den Na+-Ionen-Einstrom ausgleicht. Diese ständigen
Ionenleckströme würden jedoch mit der Zeit ohne Ausgleichsmaßnahmen zusammenbrechen,
und zwar aufgrund des Abbaus der Na+- und K+-Ionengradienten (Konzentrationsgefälle).
Dies wird durch die Natrium-Kalium Pumpe verhindert. Die Pumpe transportiert Na+- und
K+-Ionen gegen ihre elektrochemischen Nettogradienten: Sie pumpt Na+-Ionen aus der Zelle
und K+-Ionen hinein, benötigt dadurch allerdings selbst Energie, die sie aus der Hydrolyse
von ATP gewinnt. Die Pumpe transportiert für 2 K+-Ionen, die sie nach innen bringt, 3 Na+Ionen nach außen.
14.) Erläutern Sie den strukturellen Aufbau (Sekundärstruktur in der Membran)
spannungsgesteuerter Ionenkanäle (Na+-, Ca 2+- und K+-Kanäle)!
Die a-Untereinheit eines Na+- oder Ca2+-Kanals besteht aus jeweils nur einer Polypeptidkette
mit vier Wiederholungen (den so genannten Repeats I, II, III und IV, jeweils aus einer
Sequenz von ungefähr 150 Aminosäuren bestehend). Nach heutigem Wissensstand, besteht
jede dieser 4 Abteilungen (Repeats) aus 6 transmembranen a-Helics (S1 bis S6 ). Die S4 Region (vierte a-helicale Region) ist vermutlich der Spannungssensor. Zwischen der S5 - und
S6 -Region befindet sich die so genannte P-Region, die schleifenförmig in die Membran
eintaucht (auch hairnpin loop genannt). Diese P-Region, die in jeder der 4 Abteilungen
(Repeats) vorkommt, bildet vermutlich gemeinsam die Wand der Kanalpore. Die 4
Abteilungen (Repeats I-IV) selbst bilden zusammen einen vollständigen Kanal.
Im Gegensatz dazu besitzt die a-Untereinheit eines K+-Kanals nur eine Polypeptidkette (also
quasi nur ein Repeat oder Abteil), auch mit jeweils 6 transmembranen a-Helics (S1 bis S6 ) und
einer P-Region. In diesem Fall lagern sich 4 solcher a-Untereinheiten zu einem vollständigen
Kanal zusammen, wobei die P-Regionen wieder die Wand der Kanalpore bilden.
Zusammengefasst, bedeutet dies: Ein vollständiger Na+-, Ca2+- oder K+-Kanal besteht
letztendlich aus 4 Repeats mit jeweils 6 transmembranen a-Helics (S1 bis S6 ) und einer PRegion. Der Unterschied liegt lediglich im Detail. Bei Na+- und Ca2+-Kanälen besteht eine aUntereinheit aus 4 Repeats, beim K+-Kanal nur aus einem Repeat. Da sich beim K+-Kanal
jedoch 4 a-Untereinheiten zu einem Kanal zusammenfinden, so kann man auch hier von (4*1)
4 Repeats sprechen.
Hier: 1 Repeat mit den 6
transmembranen a-Helics
Hier: Die 4 Repeats (I-IV) , die zusammen einen Kanal
bilden. In der Mitte sieht man die Kanalpore, deren Wand
aus den P-Regionen der einzelnen Repeats gebildet wird.
15.) Was ist ein Selektivitätsfilter und wo findet man ihn (ein Beispiel)?
Ein Selektivitätsfilter ist ein enger Bereich im Inneren des Ionenkanals, der als Molekularsieb
wirkt und nur Ionen passieren lässt, die eine zulässige Ladung und Größe aufweisen (vgl.
Frage 6).
16.) Was berechnet man mit der Nernst-, was mit der Goldmann Gleichung?
Das Nernst-Potential ist das Gleichgewichtspotential für eine bestimmte Ionenart. Gemeint ist
das Membranpotential, bei dem die elektrische Kraft, die aus der Potentialdifferenz resultiert,
ebenso groß ist wie die chemische Triebkraft, die aus dem Ionengradienten resultiert, ihr aber
genau entgegengerichtet ist, so dass keine Nettoladungsbewegung stattfindet.
Dieses Gleichgewichtspotential lässt sich für jede Ionenart mit der Nernst Gleichung
berechnen.
Vm = R *T * ln [x+o ] / [x +i ]
z*F
Die Goldmann-Gleichung ist eine Formel zur Berechnung des Membranpotentials, wenn es
von den Gradienten zweier oder mehr Ionenarten an der Zellmembran bestimmt wird.
Vm = R *T * ln PK + [K+o ] + PNa+ [Na+o ] + PCl - [Cl- i ]
z*F
PK + [K+i ] + PNa+ [Na+i ] + PCl- [Cl- o ]