1.) Wie entsteht das Ruhepotential?

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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 erreichen? 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

2 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 Ionenströme 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 (Soll- Spannung) 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.

3 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 Bindungen (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

4 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.) Nennen 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 Zellfortsätzen(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

5 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-Tri- Phosphat 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.

6 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 Impuls (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 letztendlich 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,

7 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 Ca 2+ -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 (S 1 bis S 6 ). Die S 4 - Region (vierte a-helicale Region) ist vermutlich der Spannungssensor. Zwischen der S 5 - und S 6 -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 (S 1 bis S 6 ) 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 + -, Ca 2+ - oder K + -Kanal besteht letztendlich aus 4 Repeats mit jeweils 6 transmembranen a-helics (S 1 bis S 6 ) und einer P- Region. Der Unterschied liegt lediglich im Detail. Bei Na + - und Ca 2+ -Kanälen besteht eine a- Untereinheit 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.

8 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. V m = 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. V m = R *T * ln P K + [K + o] + P Na + [Na + o] + P Cl - [Cl - i] z * F P K + [K + i] + P Na + [Na + i] + P Cl - [Cl - o]