Sinauer

Membranphysiologie II
Wiederholung
Biophysikalische Grundlagen
Adolf Eugen Fick
(1829-1901)
Transportprozesse über Biomembranen
Übersicht
In biologischen Membranen lassen sich aktive und passive Transportmechanismen
unterscheiden.
Bei einem passiven Transport folgt ein Stoff seinem Konzentrationsgradienten. Man
unterscheidet :
Freie Diffusion: Einige Stoffe können frei durch die Zellmembran diffundieren. Hierzu zählen
Wasser und gelöste Gase wie O2 und CO2. Ebenfalls gut diffundieren lipidlösliche Stoffe.
Diffusion durch spezifische Membranporen (Kanäle)
Transport durch Transportproteine (erleichterte Diffusion) : Für einige Stoffe existieren in der
Plasmamembran spezifische Trasnsporterproteine, die die Diffusion über die Membran
erleichtern sollen.
Ein aktiver Transportmechanismus transportiert einen Stoff gegen seinen
Konzentrationsgradienten. Man unterscheidet :
Primär aktiver Transport : Die Energie für den Transport wird durch ATP bereitgestellt.
Sekundär aktiver Transport : Die Energie für den Transport wird aus dem
Konzentrationsgradienten eines anderen Ions bezogen.
Transportprozesse über Biomembranen
Übersicht
Ionenkanäle
Eigenschaften von Ionenkanälen
Ionenkanäle können eine
große Zahl von Ionen
transportieren.
Ionenkanäle sind (meist)
selektiv.
Ionenkanäle können geschaltet
werden.
107-108 Ionen/s
Ionenkanäle
Öffnungsmechanismen
Depolarisation
oder Hyperpolarisation der
Zellmembran
Beispiele:
Beispiele:
Acetylcholin, cAMP, cGMP,
Glutamat,
Ca2+
GABA
Dehnung der
Membran
Ionenkanäle
Modellvorstellung eines spannungsgesteuerten Ionenkanals
Abb. aus : B. Hille : Ionic channels of excitable membranes. 2. Aufl., Sinauer, Sunderland, Massachusetts 1992, S. 66.
Ionenkanäle
Allgemeine Strukturprinzipien – Na+- und Ca2+-Kanäle
Ionenkanäle
Allgemeine Strukturprinzipien – Modell des Na+-Kanals
Abbildung aus : R. Greger : Membranpotential.
In : R. Klinke, S. Silbernagl : Lehrbuch der Physiologie, 2. Aufl., Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York 1996, S. 54.
Ionenkanäle
Allgemeine Strukturprinzipien – Modell des Na+-Kanals
Abbildung aus : R. Greger : Membranpotential.
In : R. Klinke, S. Silbernagl : Lehrbuch der Physiologie, 2. Aufl., Georg Thieme Verlag, Stuttgart - New York 1996, S. 55.
Ionenkanäle
Allgemeine Strukturprinzipien – K+-Kanäle
Abb. aus : D.J.Snyders : Structure and function of cardiac potassium channels. Cardiovasc. Res. 42, 377-390 (1999).
Ionenkanäle
Röntgenstrukturanalyse
Ionenkanäle
Nobelpreis für die Röntgenstrukturaufklärung eines
Ionenkanals
Sculpture by Julian Voss-Andreae
based on potassium channel KcsA
Ionenkanäle
Die “einfachsten” Ionenkanäle: Einwärts-Gleichrichter
Kaliumkanäle (Kir-Kanäle)
Ionenkanäle
Permeation des K+-Ions durch den K+-Kanal
Ionenkanäle
Vereinfachtes elektrisches Modell einer Zellmembran
Modellvorstellung
Schaltbild
Abb. aus : B. Hille : Ionic channels of excitable membranes. 2. Aufl., Sinauer, Sunderland , Massachusetts 1992, S.16.
Ionenkanäle
Vereinfachtes elektrisches Modell einer Zellmembran
Modellvorstellung
Schaltbild
Abb. aus : B. Hille : Ionic channels of excitable membranes.
2. Aufl., Sinauer, Sunderland , Massachusetts 1992, S.16.
Die treibende Kraft eines Ions wird bestimmt durch das Membranpotential und
sein Gleichgewichtspotential. Es gilt :
IK = gK (EM – EK)
Ionenkanäle
Strom-Spannungsbeziehungen
Abb. aus : B. Hille : Ionic channels of excitable membranes. 2. Aufl., Sinauer, Sunderland , Massachusetts 1992, S.17.
Transportprozesse über Biomembranen
Übersicht
Carrier / Transporter
Einfache Carrier
Valinomycin
Carrier komplexieren Ionen
und diffundieren mit diesen
über die Zellmembran
Carrier / Transporter
Übersicht
Carrier / Transporter
Uniporter
Uniporter transportieren
Substanzen entlang
eines Konzentrationsgradienten.
Sie beschleunigen
(katalysieren) den
Durchtritt durch die
Zellmembran.
Beispiel:
Glukose-Transporter (GLT1-GLT12)
Carrier / Transporter
Beispiel für einen Uniporter: GLUT1
Der Glukosetransport erfolgt in vier Schritten:
1.) Hochaffine Bindung an die extrazelluläre Bindungsstelle
2.) Konformationsänderung des Transporters
3.) Dissoziation von Glukose in das Cytosol
4.) Konformationsänderung des Transporters
Carrier / Transporter
Transporter folgen einer Michaelis-Menten Kinetik
Einfache Diffusion
Carrier-vermittelter
Transport
[X]
Jx= Jmax
Km + [X]
Carrier / Transporter
Glukosetransporter - Übersicht
Carrier / Transporter
Glukosetransporter - Pathophysiologie
Die Glukoseaufnahme aus dem
Blut wird durch GLUT 1
vermittelt.
Kinder, die mit einer Mutation in
GLUT1 geboren werden, zeigen
erhebliche Störungen in der
Gehirnentwicklung.
Carrier / Transporter
Der Glukosetransport im Darm kann nicht durch einen
Uniporter vermittelt werden !
Carrier / Transporter
Symporter/Cotransporter
Beim Symporter ist der
Transport mehrerer
Substanzen gekoppelt.
Der elektrochemische
Gradient einer Substanz
wird genutzt, um eine
andere Substanz gegen
einen Gradienten zu
transportieren (sekundär
aktiver Transport).
Beispiel:
Na+-Glukose-Symporter (SGLT)
Carrier / Transporter
Beispiel für einen Symporter: SGLT
Ein Glukosemolekül wird gleichzeitig mit 2 Natriumionen und ungefähr 260
Wassermolekülen transportiert.
Carrier / Transporter
Symporter/Cotransporter
Die meisten Symporter sind Natrium-Cotransporter.
Carrier / Transporter
Symporter/Cotransporter
Extrazelluläre
Konzentration
[mmol/l]
Intrazelluläre
Konzentration
[mmol/l]
Gleichgewichts
-potential
[mV]
Na+
145
15
+ 60
K+
4
120
- 90
Ca 2+
1.5
0.0001
+ 127
Cl-
125
4
- 91
H+
pH 7.4
pH 6.9
- 31
Carrier / Transporter
Antiporter/Austauscher
Beim Antiporter ist der
gegenläufige Transport
mehrerer Substanzen
gekoppelt.
Der elektrochemische
Gradient einer Substanz
wird genutzt, um eine
andere Substanz in
Gegenrichtung gegen
einen Gradienten zu
transportieren (sekundär
aktiver Transport).
Beispiel:
Na+-H+-Austauscher
Na+/Ca2+-Austauscher
Cl-/HCO3--Austauscher
Transportprozesse über Biomembranen
Übersicht
Carrier / Transporter
Primär aktive Transporter / Pumpen
Pumpen nutzen die bei
durch Spaltung von ATP
gewonnene Freie
Energie, um Substanzen
gegen einen
elektrochemischen
Gradienten zu
transportieren (primär
aktiver Transport).
Beispiel:
Na+-K+-ATPase
Ca2+-ATPase
Carrier / Transporter
Beispiel für eine Pumpe. Die Na+/K+-ATPase
[Na+] = 145 mM
[Na+] = 15 mM
[K+] = 4 mM
[K+] = 120 mM
Die Na+/K+-ATPase wird in (nahezu) allen menschlichen Zellen exprimiert.
Etwa 25% des in Zellen gebildeten ATPs wird durch die Na+/K+-ATPase
verbraucht. In Neuronen sind es bis zu 70%.
Carrier / Transporter
Pumpzyklus der Na+/K+-ATPase
Transportprozesse über Biomembranen
Zusammenfassung
Transportprozesse über Biomembranen
Zusammenfassung: Proteinvermittelte Transportmechanismen
Kennzeichen des proteinvermittelten Transports:
Der Transport ist spezifisch.
Der Transport ist schneller als die freie Diffusion.
Der Transport über Carrier/Transporter zeigt eine
Sättigungskinetik.
Der Transport kann durch Hemmstoffe inhibiert werden.
Vom Molekül zur Zelle…
Claude Bernard :
... wenn man einen lebenden Organismus
auseinandernimmt, indem man seine verschiedenen Teile
isoliert, tut man das zur Erleichterung der experimentellen
Analyse und keineswegs, um sie getrennt zu verstehen.
In der Tat, will man einer physiologischen Eigenschaft ihren
Wert und ihre Bedeutung zumessen, muß man sie immer
auf das Ganze beziehen und darf endgültige
Schlußfolgerungen nur im Zusammenhang mit ihren
Wirkungen aus das Ganze ziehen ...
Transportprozesse über Biomembranen
Zusammenspiel der Transportmechanismen
Elektrophysiologische Messtechniken
Messung von Membranpotentialen
Elektrophysiologische Messtechniken
Messung von Membranpotentialen
Abb. aus : J. Dudel : Informationsübermittlung durch elektrische Erregung.
In : R.F. Schmidt, G. Thews : Physiologie des Menschen, 26. Aufl., Springer, Berlin - Heidelberg - New York 1995, S. 20
Elektrophysiologie
Das Ruhemembranpotential
Das Ruhemembranpotential wird wesentlich durch den
transmembranären K+-Gradienten bestimmt.
Abbildung aus : R. Greger : Membranpotential.
In : R. Klinke, S. Silbernagl : Lehrbuch der Physiologie, 2. Aufl., Thieme Verlag, Stuttgart - New York 1996, S. 49.
Elektrophysiologie
Abhängigkeit des Ruhemembranpotentials von der
extrazellulären Kalium-Konzentration
Abbildung aus : R. Greger : Membranpotential.
In : R. Klinke, S. Silbernagl : Lehrbuch der Physiologie, 2. Aufl., Thieme Verlag, Stuttgart - New York 1996, S. 49.
Elektrophysiologie
Wie berechnet sich das Membranpotential einer Zelle?
Abbildung aus : R. Greger : Membranpotential.
In : R. Klinke, S. Silbernagl : Lehrbuch der Physiologie, 2. Aufl., Thieme Verlag, Stuttgart - New York 1996, S. 49.
Elektrophysiologie
Wie berechnet sich das Membranpotential einer Zelle?
Berücksichtigt man die fraktionellen Leitfähigkeiten, so ergibt sich für
das Membranpotential :
E  f K  E K   f Na  E Na   f Cl  E Cl 
Die fraktionelle Leitfähigkeit fx des Ions x entspricht hierbei dem Quotienten
aus der Leitfähigkeit der Membran für das Ion x und der Gesamtleitfähigkeit
(GM) :
fx 
Gx
GM
Durch „Umformen“ erhält man die Goldmann-Hodgkin-Katz-Gleichung :
E
   p Na   p Cl 
K   p Na   p Cl 
pK  K 
RT
ln
F
pK 

a
Na



a
Cl


i
Na 
i

i
Cl 
a
Elektrophysiologie
Wie berechnet sich das Membranpotential einer Zelle?
Beispiel:
In „Ruhe“ gilt : pK+ >> pNa+ + pClDie Goldmann-Hodgkin-Katz-Gleichung vereinfacht sich damit zu:
   p Na   p Cl 
K   p Na   p Cl 
pK  K 
RT
E
ln
F
pK 

a
Na 
i



a
Cl 

Na
i

i
Cl

a
Elektrophysiologie
EK und ENa bestimmen den dynamischen Spannungsbereich
der Biologie
Em = PK * EK + PNa * ENa
PK >> PNa
PNa = PK
EK = -90
-15
PNa >> PK
0
Beispiel: PNa = PK
Em = 0.5 * EK + 0.5 * ENa
Em = - 45 mV + 30 mV
Em = - 15 mV
ENa = 60 mV
Elektrophysiologie
Das Ruhemembranpotential
Einwärts-gleichrichtende Kalium-Kanäle (inward rectifier, Kir)
stabilisieren das Ruhemembranpotential.
Abb. aus : A.M. Katz : Physiology of the Heart. Raven Press. New York 1992, S. 453
Elektrophysiologische Messtechniken
Auslösung von Aktionspotentialen
Man kann eine erregbare Zelle depolarisieren, indem man einen positiven Strom
injiziert.
Ist der Strom stark genug, so daß das Membranpotential einen Schwellenwert
überschreitet, wird ein Aktionspotential ausgelöst.
Elektrophysiologie
Das Aktionspotential
Abb. aus : J. Dudel : Informationsvermittlung durch elektrische Erregung.
In : R.F. Schmidt, G. Thews : Physiologie des Menschen, 26. Auflage, Springer, Berlin - Heidelberg - New York 1995, S. 23.
Elektrophysiologische Messtechniken
Die Spannungsklemme (voltage clamp)
Elektrophysiologische Messtechniken
Voltage clamp Techniken
Das Riesenaxon des Tintenfischs war das ideale Präparat zur Untersuchung
von Ionenströmen
Alan Lloyd Andrew Fielding
Hodgkin
Huxley
Nobelpreis für Medizin 1963
The squid (Loligo)
A quantitative description of
membrane current and its
application to conduction
and excitation in nerve.
Journal of Physiology 117,
500-544 (1952)
Elektrophysiologische Messtechniken
Voltage clamp Techniken
Abb. aus : B. Hille : Ionic channels of excitable membranes. 2. Aufl., Sinauer, Sunderland / Massachusetts 1992, S.17.
Elektrophysiologische Messtechniken
Klemmspannung
Strom
KlemmStrom spannung
Die Spannungsklemme (voltage clamp)
Abb. aus : S.L. Wolfe : Molecular and cellular biology. Wadsworth, Belmont 1993, S. 217.
Elektrophysiologische Messtechniken
Ionenstromanalyse am Tintenfischaxon
Na+
K+
Elektrophysiologische Messtechniken
Ionenstromanalyse am Tintenfischaxon – Block der
Natriumkanäle
Lokalanästhetikum
Nav Kanal
Elektrophysiologische Messtechniken
Ionenstromanalyse am Tintenfischaxon – Block der
Natriumkanäle durch Pharmaka und Toxine
Na+
K+
Elektrophysiologische Messtechniken
Ionenstromanalyse am Tintenfischaxon – Block der
Natriumkanäle durch Pharmaka und Toxine
Na+
K+
Elektrophysiologie
Das Aktionspotential
Abbildung aus : J. Dudel : Informationsvermittlung durch elektrische Erregung.
In : R.F. Schmidt, G. Thews : Physiologie des Menschen, 26. Auflage, Springer, Berlin - Heidelberg - New York 1995, S. 26
Elektrophysiologie
Die Inaktivierung der Natriumkanäle ist eine Voraussetzung
für die Repolarisation
IV
I
III
geschlossen
(C)
offen
(O)
inaktiviert
(I)
Elektrophysiologie
Die Refraktärzeit
Elektrophysiologische Messtechniken
Voltage clamp Techniken
Abb. aus : B. Hille : Ionic channels of excitable membranes. 2. Aufl., Sinauer, Sunderland / Massachusetts 1992, S.17.
Elektrophysiologische Messtechniken
Messung von Einzelkanalströmen
Abb. aus : J. Dudel : Informationsvermittlung durch elektrische Erregung.
In : R.F. Schmidt, G. Thews : Physiologie des Menschen, 26. Auflage, Springer, Berlin - Heidelberg - New York 1995, S. 29
Elektrophysiologie
Zusammenfassung: Phasen des Aktionspotentials
Folgende Phasen lassen sich unterscheiden:
1. Initiationsphase (Überwindung des Schwellenpotentials): Durch einen
Kationeneinstrom (Na+), der größer ist als der Kaliumausstrom durch
Kaliumkanäle (Kir) wird die Membran depolarisiert.
2. Depolarisation (Aufstrich und Overshoot): Mit dem Überschreiten des
Schwellenpotentials (von etwa -60 mV) werden spannungsabhängige
Nav-Kanäle aktiviert. Der Natriumeinstrom sorgt für eine weitere
Depolarisation, wobei in der Regel Werte zwischen 0 und 40 mV
erreicht werden (Overshoot).
3. Repolarisation: Die Nav-Kanäle inaktivieren und der Natriumeinstrom
endet. Spannungsabhängige Kaliumkanäle öffnen und der
Kaliumauswärtsstrom leitet die Repolarisation ein.
Physiologie
Vorlesungsthemen
Membranphysiologie
Erregungsleitung, synaptische Übertragung
Muskelphysiologie
Vegetatives Nervensystem
Herzmechanik, Herzerregung
Kreislauf, Kreislaufregulation
Atmung, Atmungsregulation