Passive Membranpermeabilität für Ionen und das Membranpotential

Präsentation zum Thema: "Passive Membranpermeabilität für Ionen und das Membranpotential"—  Präsentation transkript:

1 Passive Membranpermeabilität für Ionen und das Membranpotential
Seminar 2 Passive Membranpermeabilität für Ionen und das Membranpotential Claudia Hahn

2 Inhalt Einleitung Restfluss LIS-Effekt Wichtige Faktoren für die Transportwege von Ionen Referenzen

3 Rote Blutzellen nutzen Transportwege zur
Einleitung Rote Blutzellen nutzen Transportwege zur Aufrechterhaltung des Zellvolumens Aufrechterhaltung der Ionenverteilung Annahme zu Beginn der Untersuchungen: Ionen sind nicht permeabel Später: Cl-, Na+ und K+ sind permeabel Der erste Transporter: Na+/K+-Pumpe 3 3

4 passive Transportwege über Elektrodiffusion
Anfangsvermutung: passive Transportwege über Elektrodiffusion Später: Transportwege (Transporter) können über Inhibitoren inhibiert werden 4 4

5 Bernhardt, I., Weiss, E., Passive membrane permeability for ions and the membrane potential. In: Red cell membrane transport in health and disease (eds. Bernhardt, I., Elorry, J.C.). Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2003, pp

6 EDTA Bernhardt, I., Weiss, E., Passive membrane permeability for ions and the membrane potential. In: Red cell membrane transport in health and disease (eds. Bernhardt, I., Elorry, J.C.). Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2003, pp 6 6

7 EDTA Ouabain Bernhardt, I., Weiss, E., Passive membrane permeability for ions and the membrane potential. In: Red cell membrane transport in health and disease (eds. Bernhardt, I., Elorry, J.C.). Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2003, pp 7 7

8 EDTA Ouabain Bumetanid
Bernhardt, I., Weiss, E., Passive membrane permeability for ions and the membrane potential. In: Red cell membrane transport in health and disease (eds. Bernhardt, I., Elorry, J.C.). Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2003, pp 8 8

9 Ziel Beweisen, dass der Restfluss nicht durch Elektrodiffusion stattfindet Beweis der Existenz des NHE

10 Findet über Elektrodiffusionslücken statt Kann gemessen werden wenn
Der Restfluss Findet über Elektrodiffusionslücken statt Kann gemessen werden wenn alle Transportwege inhibiert sind Abhängig vom internen pH-Wert Unterschied „Leak-Fluss“ und wahrer Restfluss Gemessen wird der K+-Restfluss 10

11 Erhöhung des Restflusses
NaCl durch Saccharose ersetzen reduzierte extrazelluläre Ionenstärke, gleiche isotonische Bedingungen Hoher hydrostatischer Druck Zugabe von Salicylat oder Thiocyanat Je nach Temperatur veränderte Transportrate Zugabe von Diamid oder quecksilberhaltigen Substanzen Amphiphile Substanzen 11 11 11

12 Einflüsse des LIS-Effektes auf den Restfluss
Verringerte Ionenstärke  Erhöhung des negativen äußeren Transmembranpotentials höhere Kationenkonzentration an der Membran  Interaktionen zwischen Proteinen sowie Proteinen und Lipiden  transmembrane Ionenbewegung Beteiligung des Bande 3 Proteins (Inhibierung  verringerter Fluss) Alternativ: Elektroneutrale Karrier (NHE) 12 12 12

13 Richter S. (1997), Resttransport von Na+ und K+ an Humanerythrozyten-ein elektroneutraler Austauschprozeß. Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin 13 13 13

14 Durch Fluoreszenzmessungen konnte der pH-Wert bestimmt werden
Flussmessungen ergaben, dass K+ und Protonen im Verhältnis 1:1 ausgetauscht werden Kummerow, D., Hamann J., Bernhardt I. (2000), Variations of intracellular pH in human erythrocytes via K+(Na+))/H+ exchange under low ionic strength conditions. J. Membr. Biol. 176(3):

15 Seperater Kanal für Kaliumionen und Protonen über das Bande 3 Protein
Alternativen zum NHE Seperater Kanal für Kaliumionen und Protonen über das Bande 3 Protein unter LIS Bedingungen muss K+-Permeabilität erhöht sein (nicht der Fall) K+/OH- Symporter Oberflächenpotential in LIS-Lösung ist negativer als in HIS-Lösung mehr Kationen an der Zelloberfläche verringerte Transportrate 15 15 15

16 Zur Berechnung des wahren Restflusses benötigt man:
Das Wissen über alle Transportwege Inhibitoren für die Transportwege Neue mathematische Gleichungen zur Berechnung Messung der Transportwege in einer künstlich hergestellten Membran Transportfähigkeit ist sehr gering wenn diese nur aus Lipiden besteht Steigerung der Transportfähigkeit durch Einlagerung von Proteinen Zusammensetzung der Membran wichtig 16 16 16

17 Modellierung einer künstlichen Membran (K+-Flussmessung)
Löslichkeitsdiffusionsmechanismus Ion in Membran einlagern, Diffusion, Loslösen Diffusion über wassergefüllte Poren/Kanäle Protonen liegen wahrscheinlich als H9O4+-Komplexe vor Durch Ersatz von Phosphatidylcholin durch arachidonsäurehaltiges Phosphatidylcholin  Variation des Kaliumflusses

18 Das elektrische Membranpotential
Der K+/Na+-Transport in HIS sehr gering gegenüber Cl- Die Berechnung des Membranpotential ist das Diffusionspotential von Na+ und K+

19 Klassisch: homogene Verteilung der Ladung
Elektrische Ladung liegen in einer Art Layer um die Zelloberfläche Raumladungsdichte muss berechnet werden nicht Oberflächenladungsdichte In LIS Änderung des Potentials  Erhöhung der elektrostatischen Abstoßung und Anziehung  Strukturveränderung  Vergrößerung des Layers der Glykokalix  Änderung des Oberflächenpotentials (wird negativer) Änderung der Ionenkonzentration  Auswirkung auf Transportprozesse 19

20 Das elektrische Feld Differenz des äußeren und inneren elektrischen Potentials geteilt durch die Dicke der Membran Richter S. (1997), Resttransport von Na+ und K+ an Humanerythrozyten-ein elektroneutraler Austauschprozeß. Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin 20 20

21 Die elektrische Feldstärke
Einfluss auf: Beweglichkeit und Positionierung der Kohlenwasserstoffketten Phasenübergangstemperatur Kopfgruppen der Phospholipide 21

22 Zusammenfassung Um den Restfluss zu ermitteln müssen sämtliche Transportwege und Inhibitoren identifiziert werden Das Transmembran-, Oberflächenpotential und die elektrische Feldstärke haben großen Einfluss auf die Transportmechanismen und auf den Restfluss Restfluss findet sehr wahrscheinlich durch Fluktuationen der Membranbestandteile statt

23 Referenzen Bernhardt I (1986) Untersuchungen zur Regulation des Ouabain-insensitiven Membrantransports monovalenter Kationen an Erythrozyten. D.Sc. thesis, Humboldt University Bernhardt I (1994) Alteration of cellular features after exposure to low ionic strength medium. In: Bauer J (ed) Cell electrophoresis. CRC Press, Boca Raton, pp Bernhardt I, Donath E, Glaser R (1984) Influence of surface charge and transmembrane potential on rubidium-86 efflux of human red blood cells. J Membrane Biol 78: Bernhardt I, Erdmann A, Glaser R, Reichmann G, Bleiber R (1986) Influence of lipid composition on passive ion transport of erythrocytes. In: Klein R, Schmitz B (eds) Topics in lipid research. Royal Society of Chemistry, London, pp Bernhardt I, Ellory JC, Hall AC (1987a) Alteration to human erythrocyte passive cation permeability induced by decreasing ionic strength. J Physiol 396:47P Bernhardt I, Erdmann A, Vogel R, Glaser R (1987b) Factors involved in the increase of K+ efflux of erythrocytes in low chloride media. Biomed Biochim Acta 46:36-40

24 Bernhardt I, Hall AC, Ellory JC (1988) Transport pathways for monovalent cations through
erythrocyte membranes. Studia Biophys 126:5-21 Bernhardt I, Hall AC, Ellory JC (1991) Effects of low ionic strength media on passive human red cell monovalent cation transport. J Physiol 434: Bernhardt I, Seidler G, Ihrig I, Erdmann A (1992) Species-dependent differences in the influence of ionic strength on potassium transport of erythrocytes: The role of lipid composition. Gen Physiol Biophys 11: Bernhardt I, Bogdanova AY, Kummerow D, Kiessling K, Hamann J, Ellory JC (1999) Characterisation of the K+(Na+)/H+ monovalent cation exchanger in the human red blood cell membrane: Effects of transport inhibitors. Gen Physiol Biophys 18:1-19 Donath E, Pastushenko V (1979) Electrophoretical study of cell surface properties. The influence of the surface coat on the electric potential distribution and on general electrokinetic properties of animal cells. Bioelectrochem Bioenergetics 6: Donlon JA, Rothstein A (1969) The cation permeability of erythrocytes in low ionic strength media of various tonicities. J Membrane Biol 1:37-52

25 membranes. Biochim Biophys Acta 469:335-344
Forsyth PA, Marcelja S, Mitchell DJ, Ninham BW (1977) Phase transition in charged lipid membranes. Biochim Biophys Acta 469: Fortes PAG, Ellory JC (1975) Asymmetric membrane expasion and modification of active and passive cation permeability of human red cells by the fluorescent probe 1-anilino-8-naphtalene sulfonate. Biochim Biophys Acta 413:65-78 Freedman JC, Hoffman JF (1979) The relation between dicarbocyanine dye fluorescence and the membrane potential of human red blood cells set at varying Donnan equilibria. J Gen Physiol 74: Glaser R (1990) The influence of membrane electric field on cellular functions. In: Glaser R, Gingell D (eds) Biophysics of the cell surface. Springer, Berlin, pp Glynn IM (1956) Sodium and potassium movement in human red cells. J Physiol 134:278- 316 Kummerow D, Hamann J, Browning JA, Wilkins R, Ellory JC, Bernhardt I (2000) Variations of intracellular pH in human erythrocytes via K+(Na+)/H+ exchange under low ionic strength conditions. J Membrane Biol 176: 25

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit