Erregungsbildung und -leitung I

1. Ionenkanäle

1.1 Eigenschaften und Struktur

1.2 Die „Patch Clamp“ Technik

2. Membranpotential

2.1 Elektrochemisches Gleichgewicht

2.2 Aktiver Ionentransport

2.3 Natrium-Kaliumpumpe

2.4 Sekundärer Ionentransport

Ionenkanäle

Funktion der Neuronen beruht auf Veränderungen im Membranpotential:

- Ionenkanäle

schnelle Veränderungen und Signalweiterleitung

- Ionentransporter (Pumpen)

Herstellung und Aufrechterhaltung der Ionenverteilung

Eigenschaften von Ionenkanälen:

- Selektiv für bestimmte Ionen

- Erlauben (passiven) Fluss von Ionen durch die Membran

- Öffnen und schließen als Reaktion auf elektrische

(spannungsgesteuerte Kanäle), mechanische (mechanogesteuerte

Kanäle) oder chemische Signale (ligandengesteuerte Kanäle)

Ionenkanäle: Selektivität

(Kandel et al., Principles of Neural Science)

• Größenausschluß aufgrund

effektiven Durchmesser des

hydratisierten Ions (kleinere

Ionen haben größere Hydrathülle)

• Selektivitätsfilter (Interaktion

mit polaren Aminosäuren, bei

denen eine schnelle, transiente

Dehydratation stattfindet (kürzer

als 1 µs))

>>106 Ionen pro Sekunde pro

Kanal

Ionenkanäle erlauben passiven Ionenfluss

Ionenkanäle wirken als Widerstand:

Stromfluss verändert sich linear mit der Spannung (U = R × I)

• Lineare Beziehung:

ohmscher Kanal

• Nichtlinear:

gleichrichtender

(„rektifying“) Kanal

Öffnen und schließen von Ionenkanälen erfolgt durch

Konformationsänderungen

Jeder Kanal hat mindestens einen offenen und einen oder zwei

geschlossenen Zuständen. Übergang wird als „gating“ bezeichnet

Gating kann unterschiedlich

ausgelöst werden:

- Ligand

- Phosphorylierung

- Elektrische Spannung

- Druck oder Zug

Drei Superfamilien von Ionenkanälen

5 Untereinheiten mit jeweils 4

Transmembrandomänen (ACh-,

GABA-, Glycin-, Serotonin-Rezeptor)

12 identische Untereinheiten mit

jeweils 4 Transmembrandomänen

(Gap-Junction-Kanal)

4 Untereinheiten mit jeweils 6

Transmembrandomänen

(spannungsgesteuerte Kanäle)

(P-Region bildet Selektivitätsfilter)

Ionenkanäle: Untersuchung durch Patch Clamp

Bestimmung des Stromflusses durch einen einzelnen Ionenkanal (Neher

und Sakmann, 1976)

(Kandel et al., Principles of Neural Science)

Prinzip: elektrisch dichte Verbindung zwischen dem

Glasrand der Messelektrode und der Zellmembran

(„Gigaseal“, kaum Leckströme)

- Öffnen und Schließen des Kanals erfolgt in „bursts“ und ist schnell

- Kanal ist entweder offen oder geschlossen

- Anfang und Ende der „bursts“ repräsentieren die langsame Assoziation

bzw. Dissoziation des Liganden

- „Flickering“ repräsentiert Übergänge zwischen ligandengebundenen

offenen und geschlossenen Zuständen

Ionenkanäle: Untersuchung durch Patch Clamp

Membranpotential

Ungleiche Verteilung von Ionen im Ruhezustand

Beispiel: Tintenfisch-Axon

Im Ruhezustand sind nur

Kaliumkanäle offen

Bildung eines

elektrochemischen

Gleichgewichts

Membranpotential

Ungleiche Verteilung von Ionen im Ruhezustand

Beispiel: Tintenfisch-Axon

Gleichgewichtspotential: Nernst-Gleichung

-75 mV

Gleichgewichtspotential: Goldman-Gleichung (auch Goldman-Hodgkin-

Katz-Gleichung (GHK-Gleichung))

PK : PNa : PCl = 1.0 : 0.04 : 0.45

Aktiver Ionentransport

Ionenlecks erfordern ständig aktiven Ionentransport über die Membran:

Natrium-Kaliumpumpe gegen den elektrochemischen Gradienten

( Energieverbrauch)

Pumpen arbeiten langsamer als Ionenkanäle:

103-104 Ionen/Sekunde (gegenüber Kanälen mit 107-108 Ionen/Sekunde)

Natrium-Kaliumpumpe (Na+-K+-ATPase)

- Elektrogen (3 Na+-Ionen gegen 2 K+-Ionen)

- Hydrolyse von 1 ATP-Molekül pro Zyklus

- Inhibition durch Digitalis-Alkaloid

- P-typ ATPase (Phosphatgruppe von ATP

wird transient auf die Pumpe übertragen)

Aktiver Ionentransport

Reaktionszyklus der Natrium-Kaliumpumpe (Na+-K+-ATPase)

(Morth et al. (2011) A structural overview of the plasmamembrane Na+,K+-ATPase

and H-ATPase ion pumps. Nature Reviews Mol. Cell Biol. 12: 60-70)

Phosphorylierung wird durch Natrium-Bindung induziert

Dephosphorylierung wird durch Kalium-Bindung induziert

Natrium-Kaliumpumpe (Na+-K+-ATPase)

• Natriumionen katalysieren die Phosphorylierung

des Enzyms nach ATP Hydrolyse

• Abspaltung von ADP initiiert die Öffnung der

Natriumbindetasche (“occlusion“)

• Freisetzung der Natriumionen nach erneuter

Konformationsänderung

• Dephosphorylierung öffnet die Kaliumbindetasche auf

der extrazellulären Seite („occlusion“)

• durch ATP Anlagerung werden Kaliumionen auf der

intrazellulären Seite freigesetzt

• Bindung von Kaliumionen auf der extrazellulären Seite

Ca-Pumpe

- Elektrogen (2 Ca2+-Ionen gegen 2

Protonen)

- Hydrolyse von 1 ATP-Molekül pro Zyklus

- P-typ ATPase (Phosphatgruppe von ATP

wird transient auf die Pumpe übertragen)

- Neurone haben wenige Ca2+-Pumpen

(stattdessen meist Na-Ca2+-Kotransporter)

Aktiver Ionentransport

Zelluläre Ca2+-Konzentration ist normalerweise sehr niedrig: 50-100 nM,

extrazellulär ungefähr 2 mM

Ähnliche Struktur von Na-K-

und Ca2+-Pumpe

(10 Transmembrandomänen)

Sekundärer aktiver Ionentransport

Ca2+-Transporter und Antiporter