Ruhemebranpotenzial den 17 November 2016 Dr. Emőke Bódis
Prüfungsfrage Die Struktur und die Eigenschaften der Zellmembran. Das Ruhemembranpotenzial. Bernstein Kalium Hypothese, Nernst- Gleichung, Donnan- Potenzial, die GHK- Gleichung. 2
Membranstruktur Biologische membrane bestehen aus Lipiden und Proteinen die mit nicht-kovalente Bindungen zusammengebunden sind. Phospholipide sind die Hauptkomponenten von biologischen Membranen. Phospholipid = Diglyceride (1 Glycerine + 2 Fettsäure) + Phosphatgrouppe + organishe Moleküle (z.b. Kolin) 3
Membran - Modelle Lipid monolayer - Irving Langmuir (1881-1957) Amerikanischer physiker-chemist, 1932 chemisher Nobelpreis 1917 Fette sind in einer Schicht auf der Oberfläche des Wassers angeordnet - polare Kopf (hydrophil ) orientiert zur Wassser - non-polar Sczwanz (hydrophobe) entfernt von der Wasserphase Irving Langmuir, "The Constitution and Fundamental Properties of Solids and Liquids. II," Journal of the American Chemical Society 39 (1917): 188-1906. Gorter E, Grendel F.On Bimolecular Layers of Lipoids on the Chromocytes of the Blood. J Exp Med. 1925 Mar 31;41(4):439-43. 4
Energetikailagkedvezőtlen azapolárosrészek exponáltsága. - Amfipatikus molekulák vizes környezetben spontán aggregálódnak. - Hidrofób kölcsönhatás tartja őket össze.
Thermodynamische Änderungen H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O Hydrophobe Molekül + Hydrophobe Molekül Hydrophobe Molekül Hydrophobe Molekül D H = positive D S = sehr negative D G = positive NICHT-SPONTAN D H = positive D S = sehr positive D G = negative SPONTAN
Phasenänderung Die Membranfluidität hängt von der Temperatur ab. Phasenänderung Punkt ( Schmelzenpunkt ) Die charakteristische Kurve hängt von der Zusammensetzung der Membrane.
Membran - Modelle Fluid mosaic model Flüssig-Mozaik-Modell Phospholipid-Doppelschicht Fluid - eine seitliche Bewegung der Bauteile Mozaik - mosaikartige Anordnung von Makromolekülen Singer Nicolson 1972 Membrane von einenerythrocyten 9
Struktur vom Zellmembran 10
Membranproteine Diese Proteine bestimmen die Funktion der Membranen. Typen de Membranproteine Transmembranproteine- zur hydrophoben Teil der Membrane gebunden Periphere Membranproteine sind nicht direkt mit der Membran verbunden Glykoproteine sind gebunden an der extrazellulären Seite der Membranproteine Glycosyl-Phosphatidylinositol (GPI) sind kovalent an die Lipide der Membran gebunden Rollen: - Ionenkanäle - Receptors - Signal Transduction Glycoprotein 11
Ruhepotential Die Innere einer Zelle ist immer negativer als der Äußere: - Negativer Ruhepotenzial (zwischen -30 and -90 mv) Untersuchung ist mit Mikroelektrode möglich - mit KCl Lösung gefüllten Messbad, wo keine störende diffusion ist möglich Alle Zellen aufhalten einen Potentialunterschied über den Zellmembran. Riesenaxon, oder Muskelzellen eines Tintenfishes 12
Membranpotential Die elektrische Potentialdifferenz (Spannung) über die Plasmamembran der Zelle. V resting = - 30 - - 100 mv 0 V Mikroelektrod Intrazellularraum Extrazellularraum 13
Warum wird das Membranpotential aufgebaut? Ungleiche Verteilung der Ionen auf beiden Seiten der Membran - In der Zelle hohe K + - und niedrige Na + -Konzentration Ständig aktive Na-K Pumpe: Na + geht raus, K + kommt rein Selektiv permeable Membran - Die Zellmembran ist permeabler für K + -Ionen als Na + Ionen Nichtdiffundierbare Ionen (Nucleic Acids & Proteins) mit negativer Ladung in der Zelle sind Intrazelluläre [Na + ] 10 mm [K + ] 140 [Ca 2+ ] <10-3 [Cl - ] 3-4 [A - ] 140 Extrazelluläre [Na + ] 120 mm [K + ] 2,5 [Ca 2+ ] 2 [Cl - ] 120 14 http://physiology.elte.hu/eloadas/kiegtanar_elettan/potencial_neuro_2009.pdf
Kräfte, die die Bewegung von geladenen Teilchen steuern Driving forces : 1) Chemisches Potential Konzentrationsgradienten (Diffusion: die Partikel aus dem Hochkonzentrationsbereich zum Niedrigeren wandern) 2) Elektrisches Potenzial Ladungsdifferenz zwischen zwei Seiten der Membran - elektrischen Gradienten Elektrochemisches Potential Die Summe der Chemikalisches - und das elektrische Potential. Im Gleichgewicht ist die Änderung der Freien Energie beim chemischen und elektrischen Konzentrationgradienten ist die Selber, aber mit entgegengesetzten Richtung. Das Ruhepotential ist kalkulierbar. 15
Der Ursprung des Ruhemembranpotential Bernstein Kalium Hypothese Nernst - Gleichgewichtspotential (elektrochemische Potential) Donnan Gleichgewicht: die Membran ist undurchlässig für einige Komponenten (z. B. intrazelluläre Proteine). Goldman Hodkin - Katz Gleichung: Das Membranpotential ist das Ergebnis der "Kompromiss" zwischen den verschiedenen Gleichgewichtspotential, die jeweils durch die Membranpermeabilität und mit der absolute Konzentration der Ionen gewichtet ist. 16
Bernstein Kalium Hypothese Die Membrane ist selektive durchlässig für Kalium- Ionen. K + : 100 mm Cl - : 100 mm K + : 5 mm Cl - : 5 mm
Bernstein Kalium Hypothese Die Membrane ist selektive durchlässig für Kalium- Ionen. [K + ] [K + ] [Cl - ] [Cl - ] Elektrische Gradient K + Gradient
http://www.st- andrews.ac.uk/~wjh/neurotut/mempot.html 19
Walther Hermann Nernst Német fiziko- kémikus (1864 1941) Wie kann man die Bernstein Hypothese quantitativ beschreiben?
Der Ursprung des Ruhemembranpotential Bernstein Kalium Hypothese Nernst - Gleichgewichtspotential (elektrochemische Potential) Donnan Gleichgewicht: die Membran ist undurchlässig für einige Komponenten (z. B. intrazelluläre Proteine). Goldman Hodkin - Katz Gleichung: Das Membranpotential ist das Ergebnis der "Kompromiss" zwischen den verschiedenen Gleichgewichtspotential, die jeweils durch die Membranpermeabilität und mit der absolute Konzentration der Ionen gewichtet ist. 21
Nernst Gleichung 1 Chemical Chemisches potential Þ Wchem = NRT ln X 2 Potenzial X N = Anzahl der Molen R = Gas Konstante T = Absolute Temperatur X 1 / X 2 = Konzentrationsgradient Elektrisches Potenzial Electrical potential Þ W = NzFE electr N = Anzahl der Molen z = Valenz F = Faraday s Zahl E= elektrische Feldstärke (V) 22
Equilibrium Potenzial Nernst -Gleichung Welcher Membranpotenzial (E) balanciert die Konzentrationsgradient aus (X 1 /X 2 )? E = RT zf ln X X 1 2 Die nach innen und nach außen fließende der Ionen sind ausgeglichen (netto Stromstärke= Zero Equilibrium = Stabil, balanziertes oder unverändertes System)
http://www.st- andrews.ac.uk/~wjh/neurotut/mempot.html 24
Ionenkonzentration im inneren und aussen von einer Muskelzelle Na + : 120 mm K + : 2.5 mm Cl - : 120 mm Na + : 20 mm K + : 139 mm Cl - : 3.8 mm Gemessene Ruhepotezial [K + ] Þ E mv = -58/1 log (139/2.5) = [Na + ] Þ E mv = -58/1 log (20/120) = [Cl - ] Þ E mv = -58/1 log (3.8/120) = - 101.2 mv + 45.1 mv + 86.9 mv = 30.8 mv E mv =-92mV 25
Donnan- Potential am Anfang [K + ] A [Pr - ] B [K + ] [Cl - ] A B K + K + Protein - Cl -
https://www.youtube.com/watch?v=mhsfqio8mp0 27
Konklusion Die Nernst-Gleichung ist nicht geeignet zur Bestimmung des Membranpotentials. Die berechneten unterscheiden sich von den gemessenen Werten. Der Verhalten der Ionen sind nicht unabhängig. Es ist kein geschlossenes System. 28