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

Transkript

1 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 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

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

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

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6 Nikotinischer Acetylcholin - Rezeptor : Kanalprotein und Rezeptor für ACh

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

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11 Molekulare Struktur eines Ionenkanals

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13 Spannungssensor: positive Ladungen IN der Membran

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

18 0 mv -80 mv Prof. Stephan Frings, Zoologisches Institut, Universität Heidelberg

19 Na+ 0 mv -30 mv Prof. Stephan Frings, Zoologisches Institut, Universität Heidelberg

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24 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 Ionen / ms)

25 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

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

29 Gap junctions versus tight junctions

30 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

31 Strom durch Ionenkanäle lädt den Membrankondensator um, verändert die Membranspannung

32 Viele Kaliumkanäle sind unter Normalbedingungen immer etwas geöffnet!!!

33 Unterschiedliche Verteilung eines Ions über einer elektrisch polarisierten Membran, z. B. [K+]i >> [K+]a Diffusion: K+ nach aussen Εlektrisches Feld: K+ nach innen Im Gleichgewicht gilt : Fluss nach aussen (Urs.: Diffusion) = Fluss nach innen (Urs.: el. Feld)

34 In diesem Gleichgewicht liegt über der Membran die Spannung: uk [K ] o RT = ln zf [K ]i uk = 25 mv ln [K ]o [K ] i Physiologisches Beispiel: uk = (Nernst) = 56 mv log (R: Gaskonstante, T: Temperatur in K, z: Valenz und F: Faradaykonstante.) [K ]i [K ] o [K+]i = 140 mm und [K+]o = 5 mm -56 mv log (140/5) = uk heißt Kaliumgleichgewichtsspannung Kalium - Nernstspannung mv oder Bedeutung: Ist um = uk, d.h. ( um- uk ) = 0, so fließt kein Kaliumstrom IK.

35 Das heißt: ist um > uk : Strom nach außen und ist um < uk : Strom nach innen

36 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.

37 Ion Innen [mm] Aussen [mm] Na K+ Ca ,5-5 UNernst [mv] (geb.: 1-2) Cl Was für eine Membranspannung ergibt sich bei diesen Nernstspannungen???

38 Das Ohmsches Gesetz ( I = u / R = g u ) wird wegen der unterschiedlichen Ionen Konzentrationen an Membranen ersetzt durch: Strom = Leitfähigkeit treibende Spannung IK = gk ( u m - uk ), INa = gna ( um - una ), Gesamtstrom: Iges = IK + INa +... etc.

39 Das Ohmsches Gesetz ( I = u / R = g u ) wird wegen der unterschiedlichen Ionen Konzentrationen an Membranen ersetzt durch: Strom = Leitfähigkeit treibende Spannung IK = gk ( u m - uk ), INa = gna ( um - una ), Gesamtstrom: Iges = IK + INa +... Im Gleichgewicht ist Iges = 0, d.h. g K um g K u K g Na um gna una... = 0 um = g K u K gna u Na... gtotal etc.

40 Die Terme fk = gk / gtotal, fna = gna / gtotal, etc. definieren den relativen oder fraktionalen (daher: f) Kaliumleitwert, den relativen Na-Leitwert, etc. Damit erhält man eine sehr einfache Formel für die Membranspannung : u m = f K u K f Na una... 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.

41 Beispiel Ruhemembranpotential : Der Gesamtleitwert einer Zelle beruhe zu 90 % auf kaliumpermeablen Kanälen: fk = gk / gtotal = 0.9 zu 10 % auf natriumpermeablen Kanälen: fna = gna / gtotal = 0.1 Dann ist um = fk uk + fna una = 0.9 uk una = 0.9 ( - 90 mv ) + = -81 mv = -75 mv. + und 0.1 ( 60 mv ) 6 mv Das Ruhe-Membranpotential besteht also zu 90 % aus uk und zu 10 % aus una

42 Beispiel Ruhemembranpotential : Der Gesamtleitwert einer Zelle beruhe zu 90 % auf kaliumpermeablen Kanälen: fk = gk / gtotal zu 10 % auf natriumpermeablen Kanälen: fna = gna / gtotal = 0.9 Dann ist um = fk uk + fna una = 0.1 uk una = 0.1 ( - 90 mv ) + = -9 mv = +45 mv ( 60 mv ) 54 mv = 0.1 und

43 Beispiel Ruhemembranpotential : Der Gesamtleitwert einer Zelle beruhe zu 10 % auf kaliumpermeablen Kanälen: fk = gk / gtotal zu 10 % auf natriumpermeablen Kanälen: fna = gna / gtotal = 0.1 zu 80 % auf unspez. Kationenkanälen: fcat = gcat / gtotal = 0.8 Dann ist = 0.1 und um = fk uk + fna una + fcat ucat = 0.1 uk una una = 0.1 ( - 90 mv ) ( 0 mv ) = - 9 mv = - 3 mv ( 60 mv ) 6 mv Das Nerstpotential von unspezifischen Kationenkanälen liegt bei 0 mv!!!

44 Alternative Formulierung für den Zusammenhang von Membranspannung und Ionenkonzentrationen (Goldmann-Gleichung) : um = RT F ln P K [ K ]o P Na [ Na ]o P Cl [ Cl ]i... P K [ K ]i P Na [ Na ]i P Cl [Cl ]i... Da an Neuronen unter Ruhebedingungen PK viel größer ist als PNa, PK oder PCl ergibt sich hieraus näherungsweise die Nernstgleichung : um d.h. um ~ uk. [K ] o RT ln F [ K ]i

45 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

46 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 )

47 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)

48 Ligand, z.b. Transmitter Ionenfluß durch ligandengesteuerte Kanäle Strom Änderung der Membranspannung Strom Akt. & Inaktivierung von Kanälen Ionenfluß durch spannungsgesteuerte Kanäle

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50 um = f K uk f Na u Na...

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52 Signalfortleitung an Neuronen: 1. Elektrotonische Ausbreitung von Signalen 2. Fortleitung von Aktionspotentialen - auf unmyelinisierten Nervenfasern - auf myelinisierten Nervenfasern Elektrotonische Ausbreitung (vor allem auf Dendriten) :

53 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 Ri kann man λ berechnen: = Rm / Ri

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

55 Signalfortleitung an Neuronen: 1. Elektrotonische Ausbreitung von Signalen 2. Fortleitung von Aktionspotentialen - auf unmyelinisierten Nervenfasern - auf myelinisierten Nervenfasern

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

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59 Tintenfische fliehen durch Impulserhaltung, Riesenaxon und Aktionspotential

60 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

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

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63 Einige klinische Bezüge I Blocker von Ionenkanälen: Beispiele: - Nifedipin blockt Ca2+-Kanäle: - Schlangen- und Skorpiongifte: Hypertonie, Herzrhythmusstörungen Ionenkanalblocker: Lähmungen, Krämpfe, außerdem: Gerinnungsstörungen Fingerhut: Ouabain = Strophantin, Digitalispräparate blockt Na/K - Pumpe 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

64 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 Narkosemittel Epilepsie (petit mal) - Behandlung (Clonazepin) extrazelluläre [Ca2+] zu niedrig: Hyperventilationssyndrom - > erhöhte Erregbarkeit, Tetanie zu hoch: bei Hyperparathyreodismus: zu viel Parathormon bei Adenom, Carcinom Saltatorische Leitung, Myelin Schnelle Reflexe, Parästhesien, Multiple Sklerose, Schlaffe Lähmungen = Paresen

65 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?