02 - Zellmembran und Ionenkanäle

• Ionenkanal -> gewöhnliche DGL

• Herzzelle -> gekoppelte DGL

• Gewebe/Organ -> ReationsDiffusions-Gleichung (Monodomain-Modell)

• Körperoberfläche -> Poisson-Gleichung zur Berechnung von OF-Potentialen

• Phospholipid-Doppelschicht: hydrophiles und hydrophobes Ende

• eingelagerte Transmembranproteine -> z.B. Kanalproteine = Ionenkanäle

• erlauben Austausch von Ionen

• vom Ort der hohen Konzentration zum Ort der niedrigen Konzentration durch Kanal diffundieren

groß: viel, klein: wenig

• eine Elektrode extrazellulär und eine intrazellulär

• Transmembranspannung messbar

• grün: Messverstärker

• Quelle speist Strom in intrazellulärraum ein

• Input für Signalgenerator: Spannungssprünge von -70 bis 50 mV

• gemessen wird Strom der eingespeist werden muss, damit Transmembranspannung Null ist

• Transmembranspannung wird auf vorgegebenen Wert eingestellt (voltage step)

• eingestellter Wert wird strom los gemessen (Übergangswiderstand Elektrode!) = aktuelle Transmembranspannung

• Feedback ampifiert misst Vm und Vc -> Strom wird eingespeist bis Differenz 0

• der als Antwort auf den Spannungssprung injizierte Strom wird gemessen

• Ionenkanäle die gerade nicht von Interesse sind, welden chemisch blockiert oder nicht exprimiert

• kapazitiver Strom Ic: im statischen Fall fließt kein Strom, aber wenn sich Kondensator aufläd oder entläd

• IG entspricht dem Strom durch die Ionenkanäle

• bei Voltage Clamp ist Spannung konstant -> kapazitiver Anteil fällt weg während wir auf Haltespannung sind

• Stromverlauf (Antwort auf Sprungspannung) ist nicht konstant -> muss daran liegen, dass Gm nicht konstant ist (ist von sonst nix abhängig)

• kapazitiver Anteil für die Lipiddoppelschicht

• Leitwert für alle ohmschen Anteile der Zellmembran -> Ionenkanäle

• Konzentrationsgradient durch Verteilung der Ionen intra- und extrazellulär -> Ungleichgewicht das sich durch Diffusion ausgegleichen möchte

• Ungleichgewicht durch Ladungsverteilung: intrazellulär Überschuss an negativen Ladungsträger, extrazellulär Mangel -> möchte sich ausgleichen sodass Transmembranspannung Null (elektrisches Feld)

• GGW-Zustand zwischen elektrischem Feld und Diffusion ist ungleich Null (energetisch günstigster Zustand)

• selektiv permeable Membran (nur eine Ionensorte kann durch)

• Diffusion treibt in die eine Richtung

• elekrische Spannung in die andere Richtung

• jx ist Gesamtflux über Membran

• soll Null sein, dann GGW (kein Fluss)

• -> Nernst Gleichung

• Spannungsgesteuerte Ionenkanäle

• öffnen/schließen abhängig von Transmembranspannung

• mehrere Gates möglich -> müssen alle offen sein damit Kanal offen ist

Beispiel: Na+ Kanal bei Spannungssprung

• blaue Steigende Kurve: Gate auf

• abflachend: Gate zu

• jede Kurve entspricht unterschiedlicher Sprungspannung

  
  

Kalium

• Kurve nähert sich asympotitisch Wert, steigt schneller bei großer Sprungspannung

• Endwert = Leitfähigkeit

• in rechtem Diagramm auf y-Achse die leitfähigkeit und x-Achse Sprungspannung

Natrium

• Spitzenwert abhängig von Höhe der Sprungspannung

• Kanal geht auf und direkt wieder zu

• für unterschiedliche Ionenkanäle

• L = Leckstrom

• Doppellipidschicht = Kapazität

• Patch Clamp Technik

• einzelne Ionenkanäle vermessen

• mit sehr kleinen Pipetten wir durch Vakuum Membran angesaugt

• Offen-Wahrscheinlichkeit für einzelne Gates: p(t)

• Geschlossen-WK: q(t)

• von den Gates die im geschlossenen Zustand sind gehen mit der Rate alpha welche in den offenen Zustand

• wie groß alpha im Vergleich zu beta bestimmt wie schnell man sich dem Endzustand nähert

Gesamtstrom über alle Kanäle

• Kalium hat 4 n-Gates

• Natrium hat 3 m-Gates (Aktivierung) und 1 h-Gate (Inaktivierung)

• Kalium n: öffnet bei steigender Vm

• Natrium m: öffnet bei steigender Vm, viel schneller als n und h

• Natrium h: öffnet bei niedrigen Vm