Grundkurs Neurobiologie Elektrische Eigenschaften von Nervenzellen - Ionenkanäle I Präsentiert von Niklas Bald

Ionenverteilung Innenseite viele Aˉ und K+ Außenseite viele Na+ und Cl-  Ungleiche Ionenverteilung

Ionenpumpen Gruppe von Transportproteinen Bewirken ungleiche Ionenverteilung Nutzen Stoffwechselenergie, um Ionen von Bereich niedriger in Bereich hoher Konzentration zu transportieren Transport gegen Konzentrationsgradienten Energie dafür kommt meist aus ATP-Spaltung

Ionenpumpen – Na+-K+-ATPase Am besten untersuchte und evt. wichtigste Ionenpumpe Baut sowohl für K+- als auch für Na+-Ionen Konzentrationsgradienten auf Diese Gradienten sind entgegengesetzt gerichtet Bis zu 70% des Energieverbrauchs von Nervenzellen zum Betrieb dieser Ionenpumpen Ist elektrogen: befördert 1 positive Nettoladung von innen nach außen

Ionenpumpen – ATP unabhängig Z.T. nicht ATP direkt als Energiequelle Benutzen Konzentrationsgradienten eines Stoffes/Ions als Energiequelle Energetisch begünstigter Rückfluss eines Ions wird an Kotransport eines anderen Ions gegen Konzentrationsgradienten gekoppelt Das andere Ion kann in die gleiche (Symport) oder in die entgegen gesetzte Richtung (Antiport) transportiert werden

Membranen Aus Lipiddoppelschichten Sind im Innern hydrophob Daher für elektrisch geladene und hydratisierte Ionen kaum durchlässig  Sehr geringe Permeabilität für Ionen Permeabilität von biologischen Membranen kann durch eingebaute Ionenkanäle erhöht werden

Ionenkanäle Bestehen aus röhrenförmig zusammen gelagerten Polypeptiduntereinheiten Reichen durch die Membran und erzeugen eine lipidfreie Pore Permeabilität wird enorm erhöht Viele verschiedene Typen Alle ermöglichen erleichterte Diffusion von Ionen Die meisten weisen selektive Permeabilität für verschiedene Ionentypen auf Transportrate von 107 Ionen pro Sekunde und Kanal Neuron enthält viele Kanäle  beachtlicher Ionenstrom

Membranpotential Eigentlich Spannung = Potentialdifferenz zw. IZF und EZF im unerregten Zustand = Ruhepotential chemischer Gradient (Konzentrationsgradient) erzeugt Strom einer Ionenart über Membran dadurch entsteht elektrischer Gradient dieser begünstigt Rückstrom der Ionen führt zu Zustand, bei dem Ausstrom und Rückstrom im Gleichgewicht stehen Gleichgewichtspotential entsteht chem. Gradient [K+]hoch [K+]niedrig - + K+ K+ elektr. Gradient

Gleichgewichtspotential (Ex) Membranpotential bei dem sich ein Ion im Gleichgewicht befindet Summe der Einströme entspricht Summe der Ausströme für bestimmte Ionenart X Keine Nettoströme zu berechnen über die Nernst-Gleichung, wenn nur eine Ionenart diffundieren kann Ex= RT/zF * ln [X]a / [X]i Fluss von nur wenigen Ionen relativ zur Gesamtanzahl an Ausgangsort reicht zur Ausbildung des Potentials aus R = allgemeine Gaskonstante [8,315 J/K mol] T = absolute Temperatur [K] F = Faraday-Konstante [96485 C/mol] z = Wertigkeit des Ions [X] = Konzentration des Ions extra- und intrazellulär

Fließgleichgewicht Nernst-Gleichung beschreibt Membranpotentiale realer Nervenzellen nur näherungsweise Zellmembran nicht nur für eine Ionenart (K+) permeabel, sondern für mehrere Weitgehend impermeabel nur für größere organische Anionen wie Aminosäuren Membranpotential wird durch Fließgleichgewicht bestimmt Dieses wird von mehreren Ionentypen aufgebaut und benötigt metabolische Energie zur Aufrechterhaltung Membranpotential lässt sich exakter mit der Goldman-Gleichung berechnen: P = Permeabilitäten der verschiedenen Ionen z = Wertigkeiten der Ionen R = allgemeine Gaskonstante [8,315 J/K mol] T = absolute Temperatur [K] F = Faraday-Konstante [96485 C/mol] [X] und [Y] = extra- und intrazelluläre Konzentrationen der Ionen

Elektromotorische Kraft (EMK) Ist die Differenz zwischen dem Membranpotential (Vm) und dem elektrochemischen Gleichgewichtspotential (Ex) für ein Ion EMKx = Vm – Ex treibt den Ionenfluss an verändert sich mit dem Membranpotential kann positv, negativ oder null sein Ist die EMK gleich Null, dann fließt auch bei offenen Kanälen kein Strom Ändert die EMK ihr Vorzeichen, dann ändert der Strom seine Richtung

Elektromotorische Kraft (EMK) U [mV] EMKX= Vm -EX ENa = +58 mV Elektrochemisches Gleichgewichtspotential +58 EMKNa = -108 mV wenn gNa = g K, dann Vm = 0 mV Ruhepotential Vm = -50 mV Potentialachse EMKK = +8 mV Elektrochemisches Gleichgewichtspotential -58 EK = -58 mV

Membran als Kondensator Sehr dünne elektrisch isolierende Schicht Trennt 2 leitende Flüssigkeiten, baut dadurch Potential auf Wirkt also wie Kondensator Kapazität: C=Q/V [Farad] Direkt an Membran entgegen gesetzt geladene Ionen g auf gegenüber liegenden Seiten Laden Kondensator auf und bilden Spannung

Äquivalenzschaltungen Vereinfachte Darstellung elektrischer Eigenschaften Ionenfluß, der Membranpotential ausbildet, nichts weiter als elektr. Strom (von Ionen getragen) Fließt durch Ionenkanäle Äquivalenzschaltungen zeigen: - Spannungsquelle = Membranpotential - Kondensatoreigenschaft der Membran - Ionenkanäle (durch die Ionenfluß/Strom möglich ist und die Widerstand bzw. Leitfähigkeit besitzen)

Widerstand Eigenschaft einen Stromfluß/Ionenstrom zu hemmen Aus Ohmschem Gesetz: R= U/I Membran verhindert Ionenstrom, nur durch Kanäle möglich, besitzen Widerstand Einheit: Ohm [Ω] 1 Ohm ist der Widerstand, der bei einem Potential von 1V über den Widerstand einen Stromfluß von 1A zulässt

Leitfähigkeit Eigenschaft einen Stromfluß/Ionenstrom zuzulassen, zu leiten Also die Bewegung von Ladungsträgern (Ionen) zu ermöglichen Kehrwert des Widerstandes: G= 1/R  G= I/U In Membranen sind die Ionenkanäle dafür verantwortlich Einheit: Siemens [S]

Literaturverzeichnis Neil A. Campbell, Jane B. Reece: Biologie. Spektrum Verlag, 2003 Roger Eckert: Tierphysiologie. Thieme, 2000 H. Reichert: Neurobiologie. Thieme, 2000 Stefan Silbernagel, Agamemnon Despopoulos: Taschenatlas Physiologie. Thieme, 2007