Ionenkanäle Ionenpumpen Membranruhepotential. username: tierphys Kennwort: tierphys09

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1 Ionenkanäle Ionenpumpen Membranruhepotential username: tierphys Kennwort: tierphys09

2 Tutorium: Ragna-Maja v. Berlepsch Dienstag 16:15-18:15 Uhr Raum 2298

3 Prüfungsfragen VL 1: - Welche generellenfunktionen erfüllt das Nervensystem? - Welche generellen Strukturveränderungen finden in zentrale Nervensystemen der Organismen im Laufe der Evolution statt? - Zeichnen und beschriften Sie den generellen Aufbau des Gehirns eines Insektes. - Nennen Sie die 4 wichtigsten Membranprotein-Klassen der Neuronenmembran. - Skizzieren Sie ein Neuron und beschriften Sie die wichtigsten Strukturen der Zelle. - Welche Typen von Gliazellen gibt es und welche Aufgaben haben Sie? - Aus welchen funktionalen Regionen ist ein Neuron aufgebaut?

4 Wie sieht die Information aus, die ein Neuron erhält, verarbeitet und weiterleitet?

5 Soma Somata

6 Neurone kommunizieren miteinander durch elektrische und chemische Signale

7 Welche Membran-Proteine sind wesentlich für die elektrische Kommunikation?

8 Zellmembran Rezeptoren Ionenpumpen Enzyme Ionenkanäle Membranproteine Lipiddoppelschicht

9 Zellmembran und Ionenkanal Lipiddoppelschicht Membranproteine

10 Kalium Kanal-Familien Jürgen Daut review 2002

11 Steuerung von Ionenkanälen durch Liganden durch Enzyme (Phosphorylierungen) durch Spannung durch sekundäre Botenstoffe durch Stoffwechselprodukte (ATP) durch trimere G-Proteine durch mechanische Deformation durch Ionen durch ph-änderungen

12 Steuerung von Ionenkanälen A. Ligandengesteuerter Kanal = ionotroper Rezeptor B. Steuerung durch Phosphorylierung C. Spannungsgesteuerter Kanal D. Mechanisch gesteuerter Kanal

13 Einteilung von Ionenkanälen nach ihrer Ionenspezifität: Kaliumkanäle Calziumkanäle Chloridkanäle Natriumkanäle Unspezifische Kationenkanäle

14 Wie charakterisiert man einen Ionenkanal elektrophysiologisch?

15 Patch-clamp Ableitungen

16 1. Ficksches Gesetz Jdiff = - D A Δc / Δx J diff = Ionen-Diffusion z.b. durch Ionenkanäle D = Diffusionskonstant A = Membranfläche delta c = Konzentrationsgradient = C innen - C außen delta x = Membrandicke Ionenfluss ist Diffusionsgradienten entgegengesetzt, deshalb negatives Vorzeichen

17 Strom-Spannungs-Kennlinien

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19 Strom-Spannungs-Kennlinien (I/V-curve) Umkehrpotential (reversal potential) Aktivierungspotential Schwellenwert (threshold potential) I [pa] K+ Na+ E [mv]

20 Die Nernst Gleichung: E K = RT/Fn x ln [K]o / [K]i E K = 2,303 RT/F x log10 [K]o / [K]i bei 25 Grad Celsius: E k = 59,16 x log10 [K]o / [K]i Ek = Ruhepotential R = Gaskonstante = 8,314 VC/K mol T = absolute Temperatur (Kelvin = K) F = Faradaykonstante = 9,648 x 104C mol n = Valenz/Wertigkeit des Ions [K] = Kaliumkonzentration -1

21 Freie Ionenkonzentrationen im Säugermuskel: Ionen extrazellulär intrazellulär Ek Natrium 145 mm 12 mm +67 mv Kalium 4 mm 155 mm -98 mv Calzium 1,5 mm <100 nm +128 mv Chlorid 123 mm 4,2 mm -90 mv

22 1. aktivierbar geschlossen (Ruhezustand) 2. offen (aktiviert) depolarisiert repolarisiert 1 ms Der spannungsabhängige Na + -Kanal 3. refraktär (inaktiviert)

23 Der Na + -Kanal

24 Na + -Kanal Ca 2+ -Kanal K + -Kanal (Untereinheit)

25 Ionenpumpen pumpen Ionen unter Energieverbrauch entgegen ihres elektrochemischen Gefälles Die Na-K-ATPase pumpt 3 Na+ raus und 2 K+ rein für 1 ATP elektrogene Pumpe!

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27 Mit Mikroelektroden können elektrische Signale von Neuronen gemessen werden. Der extrazelluläre Raum = 0 mv per Definitionem!

28 Was ist ein Ruhepotential?

29 Wie entsteht ein Ruhepotential?

30 Wie kommt die Potentialdifferenz zwischen dem Inneren eines Neurons und dem Außenmedium zustande? = das Ruhepotential

31 Die Zellmembran ist semipermeabel nur für Kalium-Ionen! Große Anionen können die Zelle nicht verlassen.

32 Gleiche Ladungen stoßen sich ab. Ionen einer Art streben die Gleichverteilung an, den gleichermaßen großen Abstand voneinander

33 Der Kaliumausstrom entlang des Konzentrationsgradienten führt zu einem zunehmenden Überschuss an positiven Ladungen außen, bzw. zu negativen Ladungen innen.

34 Im Gleichgewichtszustand sind der osmotische Gradient und der elektrische Gradient entgegengesetzt gleich groß. W osm = W el

35 W el = n x F x E k Elektrische Arbeit = Ladung mal Spannung pro 1 Mol Ionen. n = Wertigkeit des Ions (1) F = Faraday-Konstante = Coulomb/mol F = Q/n =elektrische Ladung Q pro Stoffmenge n einfach geladener Ionen = Ladung eines Mols einwertiger Ionen 1 kj/mol = 1000 dj/(nae=f) = ~0,01eV NA = Avogadro-Konstante Ek= Potential über der Membran im Gleichgewicht

36 Wosm = R x T x ln ([K]o / [K]i) Die osmotische Energie wird bei einer definierten Temperatur durch die Ungleichverteilung der (Kalium-)Ionen innen und außen bestimmt R = Gaskonstante = 8,314 VC/K mol = 8,3 J/mol x K T = absolute Temperatur (Kelvin = K) [K] = Kaliumkonzentration

37 Das Potential über der Membran, das sich bei diesem Gleichgewichtszustand einstellt, läßt sich berechnen durch die Nernst-Gleichung! E K = RT/F x ln [K]o / [K]i E K = 2,303 RT/F x log10 [K]o / [K]i

38 Das Kaliumgleichgewichtspotential, ist das Potential, bei dem kein Netto-Kalium-Strom über die Membran fließt. Bei 18 Grad Celsius: EK = 58 x log10 [K]o / [K]i Bei 37 Grad Celsius: EK = 61 x log10 [K]o / [K]i

39 Die Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung gibt das Ruhepotential an bei mehreren permeierenden Ionen Relative Permeabilitäten: PK : PNa : PCl = 1 : 0.04 : 0.45 Permeabilität P (Ficksche Diffusionsgesetze) ist der Quotient aus der Diffusionskonstanten und der Membrandicke

40 Goldman-Gleichung Wikipedia

41 F = 1/4πε o x (q 1 q 2 )/r 2 Coulombsches Gesetz! F= Kraft, die eine Ladung auf eine andere ausübt ε o = elektrische Feldkonstante = Dielektrizitätskonstante des Vakuums = Influenzkonstante=8.854 x [C 2 J -1 m -1 ] oder [C 2 N -1 m -2 ] 1/4πε o = 8.99 x 10 9 [N m 2 / C]

42 -19 Elementarladung e = 1,60 x 10 C C = Coulomb 1C ist die Ladungsmenge Q die in 1 Sekunde durch die Querschnittsfläche eines Leiters fließt, wenn die Stromstärke I ein Ampere beträgt I = Q/t

43 Zusammenfassung: Alle Zellen mit semipermeablen Membranen, mit Ionenkanälen und Pumpen stellen ein Ruhepotential ein. Neuronen besitzen ein Ruhepotential, das durch empfangene Signale, die an Rezeptoren binden, verändert werden kann. Neuronen besitzen spannungsabhängige Natriumkanäle, als Voraussetzung für schnelle Informationsvermittlung.