In der Membran sind Ionenkanäle eingebaut leiten Ionen sehr schnell (10 9 Ionen / s)

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1 Mechanismen in der Zellmembran Abb 7.1 Kandel Neurowissenschaften Die Ionenkanäle gestatten den Durchtritt von Ionen in die Zelle. Die Membran (Doppelschicht von Phosholipiden) ist hydrophob und die Ionen sind hydrophil, (wegen der Dipoleigenschaft vom H 2 O). An Ionen H 2 O angelagert, Hydratationswasser können Membran nicht durchdringen In der Membran sind Ionenkanäle eingebaut leiten Ionen sehr schnell (10 9 Ionen / s) Ionenkanäle sind selektiv: Ruhe: Permeabilitär für K ist 100 mal höher als Na Aktionpotential: Kanal für Na mal durchlässiger Änderung der Permeabilität z.b. durch Spannungszustand in der Umgebung Poren sind nicht Löcher in der Membran, sondern von porenbildenden Proteinmolekülen gebildet Pore ist wassergfüllter Kanal, der Ionen (samt Hydrathülle) durchläßt Na ist das kleinste Ion --> größte Feldstärke --> mehr H 2 O Moleküle K größeres Ion, aber mit kleinerer Hydrathülle Kleiner Kanal ist K selektiv Größerer Kanal läßt Na, aber auch K durch, daher Selektivitätsfilter Abb 7.2 Kandel Neurowissenschaften 1

2 Abb 7.3 Kandel Neurowissenschaften Kanal hat Verengung wo Ion nur ohne Hydrathülle durchkönnte. --> Erfordert Energie zum Löslösen vom Hydratationswasser --> kein Durchtritt In Verengung zwei polare Aminosäurereste, simulieren Wassermoleküle, Na Ion geht ohne Energieaufwand durch. Aufenthalt an der Bildungsstelle < 1µs Ionendurchtritt is passiv, erfodert keine Energie wird von Konzentrations- und Spannungsdifferenzen bestimmt Ionenkanäle können blockiert werden: Partikel, Pharmaka, Toxine Öffnen und Schließen von Kanälen: Konformationsänderungen geschlossen und aktivierbar (ruhend) offen (aktiv) geschlossen und nicht aktivierbar (refraktär) Umschalten zwischen zwei Zuständen: gating Molekulare mechanismen des gating wenig erforscht 2

3 Öffnen uns schließen geht fast augenblicklich <10µs, Dauer eines Zustandes ca ms Ionenstrom kann gemessen werden: Patch Clamp Technik Glas Mikropipette durch Unterdruck dicht an Membran Strom (pa) meßbar Abb. 7.5, Kandel Kanal hat nur zwei Zustände: Offen oder geschlossen (alles oder nichts) Stimulierung des Öffnens oder Schließens: Ligandengesteuert: Ligand bindet an Rezeptor. Energie der Bindung öffnet Kanal (z.b. auch Gifte, TTX schließt) Potentialgesteuert: Membranpotential Phosphoryliering: Energiereiches Phosphat öffnet Kanal mechanisch: Dehnung oder Druck Schließen analog 3

4 Nochmals Membranpotential: Messung mittels Mikroelektroden Zelle Mikroelektrode Meßgerät Damit kann Potentialdifferenz zwischen innen und außen ermittelt werden. Mit 2 Mikroelektroden innen kann elektrisches Verhalten der Membran/Poren studiert werden Abb. 8.1 KAndel Zellinneres is negativ, (polarisiert, hat Ruhepotential). Linke Elektrode schickt Strom in die Zelle Mehr positive Ladungen in der Zelle ändern Potential Wenn Potential einen Grenzwert überschreitet wird Aktionspotential ausgelöst 4

5 Unterhalb der Schwelle für Aktionspotential. Membran is wie Widerstand Analog bei Hyperpolariasation Abb. 8.1 KAndel Ruhepotential wird durch die Ausdiffusion von K Ionen erreicht Aktionspotential durch kurzzeitiges Eindiffundieren von Na Ionen Repolarisation durch erhöhtes Ausdiffundieren von K Ionen Langfristig wird die Ionenkonzentration innen und außen ausgeglichen sein, dann keine Polarisation, keine Funktion der Nerven-,.. -zellen Abbau des Ionengradienten wird verhindert durch die Natrium-Kalium-Pumpe. Transportiert unter Einsatz von Energie gegen den Konzentrationsgradienten Na aus der Zelle und K in die Zelle. Energielieferant ATP: wird hydrolysiert zu ADP. Pumpe ist großes integrales Membranprotein mit katalytischen Bindungsstellen für Na und ATP (innen) und K extrazellulär. Läuft ständig, braucht ständig Energie 5

6 Jeder Kanal stellt für die Bewegung der Ionen einen Widerstand dar. K Membran Kanal Wenn sich Aufgrund der Konzentrationunterschiede positive Ladungen außen häufen, hat der Kanal Funktion einer Batterie, deren (Leerlauf)Spannung dem Nernstpotential ist K Membran Kanal Ruhepotential ergibt sich aus den Potentialen der drei Kanaäle und der Widerstände U Na, R na U K, R K U Cl, R Cl Wegen der verschiednen Spannungen fließt immer ein Strom Dieser wird ausgeglichen durch die Na, K Pumpe (transportiert Ladungen, daher Stromquelle) 6

7 U Na, R na U K, R K U Cl, R Cl I K I Na Membran Kondensator Fortleitung von Signalen in einer Nervenzelle,. Extrazellulär Membran intrazellulär Membran Extrazellulär Strom fließt im Inneren (Zelle dünn und lang, großer Widerstand) Ladungen innerhalb und außerhalb der Zelle stellen Kondensator dar. Wegen Widerstand werden Spannungen kleiner (fallen Spannungen ab) wegen Kapazität dauert Aufladung eine gewisse Zeit 7

8 Strom wird von einem Punkt wo Strom injiziert wird (Mikroelektrode, Aktionspotential) immer geringer. Abb 9.5 Kandel Ruhepotential Aktionspotential Ruhepotential Spannung nimmt mit der Entfernung ab Abb 9.6 Kandel 8

9 Abb. 9.4 Kandel Membrankondensatoren (mit Parallelwiderstand) müssen über Serienwiderstand aufgeladen werden I R Spannung am Kondensator: C R p U = I. R p.(1 e -t/rc ) Anstieg ist verzögert U t Diese Verhältnisse bei Aktionspotential Abb. 9.7 Kandel Für rasche ÜBertragung ist ist kleiner Widerstand in Cytoplasma und kleine kleine Kapazität nötig 9

10 Aber: Widerstand klein wenn Durchmesser der Zelle groß, ---> dann auch große Kapazität Doch: Widerstnd sinkt mit Quadrat des Durchmessers, Kapazität stegt mit Durchmesser. ---> Großer Durchmesser des Axon (Riesenaxon des Tintenfisches) Aber: Dann nur wenige Nervenbahnen möglich. Andere Variante: Verkleinerung der Membrabkapazität durch Myellinscheide, Strom fließt hauptsächlich bis zum nächsten Ranvier schen Schnürring. Dort Verstärkung Abb 9.8 Kandel Ströme bei einem myellinisiertem Axon Wenig Strom durch Myellin, da Isolator, Strom durch nächsten Schnürring löst Aktionspotential aus. Multiple Sklerose: Demyellisierung, 10

11 Leitungsgeschwindigkeit periphärer Nervenaxone (Atwood MAcKAy, Neurophsiologie, p. 148) Faserdurchmesser µm mylenisiert unmylenisiert m/s 11