Passive Membranpermeabilität für Ionen und das Membranpotential Seminar 2 Passive Membranpermeabilität für Ionen und das Membranpotential Claudia Hahn 09.05.2012

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

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

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

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. 83-109

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. 83-109 6 6

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. 83-109 7 7

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. 83-109 8 8

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

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

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

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

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

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):207-216.

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

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

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

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

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

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

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

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

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