Nanostrukturphysik II Michael Penth

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1 Nanostrukturphysik II Michael Penth

2 Ladungstransport essentiell für Funktionalität jeder Zelle [b] [a] [j] de.academic.ru esys.org giantshoulders.wordpress.com [f] 2

3 Mechanismen des Ionentransports Aktiver/passiver Transport Pumpen Ionenkanäle Membranpotential ti Signale Aktionspotential Signalausbreitung 3

4 Betrachte einfache Lipiddoppelschichtidd h Ionen sind von Hydrathülle umgeben Zum Passieren muss Hydratationsenergie überwunden werden [c] Nach M. Born: Für K + Ion mit R = 0,138nm, r (1) =80, r (2) =4 erhält man k B T mit erhält man p= 6,5 * Membran ist für Ionen undurchlässig! [1] dermaviduals.de 4

5 Aktiver Transport Passiver Transport benötigt Energie, meist ATP aktive Transporter (Pumpen) Na + /K + -ATPase Ca 2+ -ATPase primärer aktiver Transport direkte Energiequelle (z.b. ATP) sekundärer aktiver Transport folgt Konzentrationsgradient oder elektrischem Potential, aufgebraut durch primären aktiven Transport ohne Energiezufuhr folgt Konzentrations- oder Potentialgefälle Ionen: Membrantransport- Proteine Ionenkanäle Carrier-Proteine [2] 5

6 Natrium-Kalium-Pumpe Hält Na + -Konzentration im Zellinnern niedrig Entscheidend für Konstanthaltung des Zellvolumen, Erregbarkeit von Nervenzellen und für die Akkumulierung von Zuckern und Aminosäuren über Cotransportsysteme [3] [1] [g] 6

7 Na + -K + -Pumpe [h] commons.wikimedia.org 7

8 Ionenkanäle Porenbildende Transmembranproteine, lassen Ionen passieren Transport entlang elektrochemischen Gradienten Leitfähigkeit ist steuerbar Unterscheidung zwischen spannungs- und ligandgesteuerten Ionenkanälen Spannungsgesteuerte Kanäle sind meist selektiv (Unterschied um etwa drei Größenordnungen der relativen Permeabilitäten) Spannung (z.b. Membranpotential, ab Schwellwert) verschiebt geladene Aminosäuren [d] [1,4] sophion.com 8

9 Membranpotential Differenz zwischen innerem und äußerem Potential V = V i -V a Nichtangeregter Zustand: V a = 0, V 0 = V i -70 mv Steuert Ionenströme (Potential der Konzentration gleich- oder entgegengerichtet Änderung des Membranpotentials Depolarisation: Membranpotential wird verringert, Kationen wandern auf Seite mit negativem Potential oder Anionen auf Seite mit positivem Potential Hyperpolarisation: Membranpotential wird erhöht, umgekehrt Repolarisation: Rückkehr zu V 0 Überschreiten eines Schwellwertes bei Depolarisation öffnet spannungsgesteuerte Ionenkanäle Aktionspotential [1] 9

10 Aktionspotential Kurzzeitige signifikante Änderung des Membranpotentials einer Muskelzelle oder eines Neurons Propagiert in Form einer Anregungswelle entland der Muskelfaser oder eines Nervs Ausbreitungsgeschwindigkeit: v P = m/s Eingangssignal bewirkt Öffnungs- und Schließvorgänge von Ionenkanälen, wodurch Ionenströme entstehen und das Membranpotential ändern Die Form des Aktionspotentials ist immer gleich, unabhängig vom Reiz 10

11 Aktionspotential Zelle wird stimuliert Öffnung unspezifischer Ionenkanäle Na + diffundiert in Zelle Depolarisation Ab Schwellwert: öffnen spannungsgesteuerter Natriumkanäle, Erhöhung Na + -Strom in Zelle Rückkopplung, bis Maximum erreicht wird Membranpolarisation Inaktivierung der Kanäle Öffnung spannungsgesteuerter K + -Kanäle Repolarisation bis Ruhepotential [e] Durch Inaktivierung der Na + -Kanäle kann ein Neuron nicht direkt ein neues Aktionspotential erzeugen. Dies ist erst nach einigen Millisekunden Erholzeit erneut möglich. [1] commons.wikimedia.org 11

12 Signalausbreitung Chemische Synapsen [1] Aktionspotential stimuliert Freisetzung von Neurotransmittern (Botenstoffe) Neurotransmitter sind in exozytotischen Vesikeln gespeichert Freigabe durch Exozytose: Fusion der Vesikelmembran mit präsynaptischen Membran Diffusion der NT zu postsynaptischen Neuron Elektrische Synapsen [5] Verbindungskanäle durch Zellmembran Koppeln Zellen miteinander (Connexine) Aktionspotential wird direkt an benachbarte Synapse weitergereicht Alternative: Kapazitive Kopplung durch großflächigen Membrankontakt [k] 12

13 [1] Hartmann, U.: Nanostrukturforschung und Nanotechnologie Band 2 [2] Moran, Horton, Scrimgeour, Perry, Rwan: Biochemie, Person Studium (2008), S. 375ff [3] Adam, Läuger, Stark: Physikalische Chemie und Biophysik, Springer (2003), S. 387ff [4] https://en.wikipedia.org/wiki/ion_channel [5] Reichert, H.: Neurobiologie, Georg Thieme Verlag (2000), S.55ff Bilder: [a] [b] hq klein [c] [d] [e] https://commons.wikimedia.org/wiki/file:aktionspotential.svg org/wiki/file:aktionspotential svg [f] [g] 13

14 Bilder [h] [j] [k] junction-de.svg Alle Bilder ohne Kennzeichnung entstammen [1] 14

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