11 MZB I - Helmchen 1
Biophysik der erregbaren Zellen Ruhepotential und Aktionspotential Ionenkanäle Nervenleitung
Biophysik der erregbaren Zellen Ruhepotential und Aktionspotential Ionenkanäle Nervenleitung
Patch Clamp:
Konfigurationen:
Whole-cell recording
Inside-out recording
Outside-out recording
s.B.
Halbaktivierungs-Potential
Potential, bei dem 50% der kanäle geöffnet sind
-> Verschiebung der Kurve nach links = leichtere Erregbarkeit (vice versa)
Molekulare Struktur von Natriumkanälen
Funktion von:
- α-Untereinheit
- β-Untereinheit
- Die α-Untereinheit enthält die Kanalpore
- Die α-Untereinheit besteht aus 4 Proteindomänen
- Jede Domäne besitzt 6 Transmembranregionen (TMR)
- Zusatzuntereinheiten (ß-subunit) regulieren die Funktion
Ionenkanalzustände in Abhängigkeit des Membranpotentials:
Na+ Kanäle
s.B.
Ionenkanalzustände in Abhängigkeit des Membranpotentials:
K+ Kanäle
s.B.
Topologie von Kaliumkanälen
Untereinheiten
- grosse und diverse Gruppe von spannungsgesteuerten Kanälen
- es gibt mehrere Untergruppen, die sich in ihrer Struktur und in ihren Aktivierungs- und Inaktivierungseigenschaften unterscheiden
- Ionenkanal besteht aus 4 Kanalproteinen
- verschiedene Kanalproteinstrukturen mit entweder 2, 4, 6, oder 7 TMRs
spannungsgesteuerte Ionenkanäle:
Calcium-Kanäle
Funktion
- entscheidend an der synaptischen Übertragung beteiligt
- Grundlage von Calcium-APs
- Regulation biochemischer Pfade
spannungsgesteuerte Ionenkanäle:
Chlorid-Kanäle
Funktion
- kontrollieren Ruhepotential und Erregbarkeit
- Regulation des Zellvolumens
Spannungssensor im Kanal
Prinzip
• Helix mit positiv geladenen Aminosäuren im S4 Transmembransegment
• Konformationsänderung bei Änderung des Membranpotentials führt zum Öffnen der zentralen Pore
Selektivitätsfilter von K+ Kanälen
Prinzip
- die 4 extrazellulären Schleifen zwischen den Transmembransegmenten sind am Selektivitätsfilter beteiligt
- Selektivität wird durch Anpassung der Porenöffnung an den Durchmesser des dehydrierten Kalium-Ions erreicht
Pharmakologie:
Blockierung von Ionenkanälen
Bsp. :TTX
- viele Gifte binden an spannungsgesteuerte Ionenkanäle und blockieren dadurch ihr Öffnung
- bekanntestes Beispiel ist Tetrodotoxin (TTX) aus dem Kugelfisch, das Natriumkanäle blockiert
-> Folge: die Ausbreitung von Aktionspotentialen ist unterbunden, es kommt zu sensiblen und motorischen Lähmungen
Lokalanästhetika (z.B. Lidocain) blockieren ebenfalls Natriumkanäle
Ligandengesteuerte Rezeptoren:
2 Typen
/Beispiele
1. Ionotrope Rezeptoren
– Ligandenbindung öffnet Ionenkanal
– Beispiele: nikotinischer ACh-Rezeptor, Glutamat- Rezeptoren des AMPA- und NMDA-Typs
2. Metabotrope Rezeptoren
– Ligandenbindung löst intrazelluläre Signalkaskade aus
– Beispiele: muskarinischer ACh-Rezeptor, metabotrope Glutamat-Rezeptoren
nAChR
Molekulare Struktur
Nikotinischer Acetylcholinrezeptor
Der nAChR besteht aus 5 Untereinheiten, die aus je 4 Transmembran-Segmenten bestehen
Molekulare Struktur metabotroper Rezeptoren
Monomerische /Heteromerische Proteine
Anzahl Transmembransegmente
G-Proteine
Beispiele
• Monomerische Proteine
• 7 Transmembransegmente
• G-Proteine binden an die intrazelluläre Schleife zwischen Domänen 3 und 4 und die C-terminalen Region
(Als G-Proteine oder GTPasen bezeichnet man eine inhomogene Gruppe von Proteinen innerhalb vonZellen, die in der Lage sind, die Guanin-Nucleotide GDP und GTP zu binden)
• Beispiele: Rezeptoren für Glutamat, GABA, Dopamine, Norepinephrine, Histamine, Serotonin, ...
Spannungsklemme (Voltage Clamp)
Funktionsprinzip
Über einen Rückkopplungsschaltkreis wird das Membranpotential konstant gehalten (auf das Kommando- potential „geklemmt“)
-> Der benötigte Strom entspricht dem Membranstrom bei diesem Potential.
Trennung der Ionenstromanteile:
2 Methoden
Durch Ionensubstitution: (Natrium-freie Extrazellulärlösung)
-> Der benötigte Strom entspricht dem Membranstrom bei diesem Potential.
Durch pharmakologische Blockierung der einzelnen Komponenten
Zeitliche Leitfähigkeitsänderungen der Na+ und K+ Kanäle
s.B.
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Cartes-fiches
Patch Clamp:
Konfigurationen:
Whole-cell recording
Inside-out recording
Outside-out recording
s.B.
Halbaktivierungs-Potential
Potential, bei dem 50% der kanäle geöffnet sind
-> Verschiebung der Kurve nach links = leichtere Erregbarkeit (vice versa)
Molekulare Struktur von Natriumkanälen
Funktion von:
- α-Untereinheit
- β-Untereinheit
- Die α-Untereinheit enthält die Kanalpore
- Die α-Untereinheit besteht aus 4 Proteindomänen
- Jede Domäne besitzt 6 Transmembranregionen (TMR)
- Zusatzuntereinheiten (ß-subunit) regulieren die Funktion
Ionenkanalzustände in Abhängigkeit des Membranpotentials:
Na+ Kanäle
s.B.
Ionenkanalzustände in Abhängigkeit des Membranpotentials:
K+ Kanäle
s.B.
Topologie von Kaliumkanälen
Untereinheiten
- grosse und diverse Gruppe von spannungsgesteuerten Kanälen
- es gibt mehrere Untergruppen, die sich in ihrer Struktur und in ihren Aktivierungs- und Inaktivierungseigenschaften unterscheiden
- Ionenkanal besteht aus 4 Kanalproteinen
- verschiedene Kanalproteinstrukturen mit entweder 2, 4, 6, oder 7 TMRs
spannungsgesteuerte Ionenkanäle:
Calcium-Kanäle
Funktion
- entscheidend an der synaptischen Übertragung beteiligt
- Grundlage von Calcium-APs
- Regulation biochemischer Pfade
spannungsgesteuerte Ionenkanäle:
Chlorid-Kanäle
Funktion
- kontrollieren Ruhepotential und Erregbarkeit
- Regulation des Zellvolumens
Spannungssensor im Kanal
Prinzip
• Helix mit positiv geladenen Aminosäuren im S4 Transmembransegment
• Konformationsänderung bei Änderung des Membranpotentials führt zum Öffnen der zentralen Pore
Selektivitätsfilter von K+ Kanälen
Prinzip
- die 4 extrazellulären Schleifen zwischen den Transmembransegmenten sind am Selektivitätsfilter beteiligt
- Selektivität wird durch Anpassung der Porenöffnung an den Durchmesser des dehydrierten Kalium-Ions erreicht
Pharmakologie:
Blockierung von Ionenkanälen
Bsp. :TTX
- viele Gifte binden an spannungsgesteuerte Ionenkanäle und blockieren dadurch ihr Öffnung
- bekanntestes Beispiel ist Tetrodotoxin (TTX) aus dem Kugelfisch, das Natriumkanäle blockiert
-> Folge: die Ausbreitung von Aktionspotentialen ist unterbunden, es kommt zu sensiblen und motorischen Lähmungen
Lokalanästhetika (z.B. Lidocain) blockieren ebenfalls Natriumkanäle
Ligandengesteuerte Rezeptoren:
2 Typen
/Beispiele
1. Ionotrope Rezeptoren
– Ligandenbindung öffnet Ionenkanal
– Beispiele: nikotinischer ACh-Rezeptor, Glutamat- Rezeptoren des AMPA- und NMDA-Typs
2. Metabotrope Rezeptoren
– Ligandenbindung löst intrazelluläre Signalkaskade aus
– Beispiele: muskarinischer ACh-Rezeptor, metabotrope Glutamat-Rezeptoren
nAChR
Molekulare Struktur
Nikotinischer Acetylcholinrezeptor
Der nAChR besteht aus 5 Untereinheiten, die aus je 4 Transmembran-Segmenten bestehen
Molekulare Struktur metabotroper Rezeptoren
Monomerische /Heteromerische Proteine
Anzahl Transmembransegmente
G-Proteine
Beispiele
• Monomerische Proteine
• 7 Transmembransegmente
• G-Proteine binden an die intrazelluläre Schleife zwischen Domänen 3 und 4 und die C-terminalen Region
(Als G-Proteine oder GTPasen bezeichnet man eine inhomogene Gruppe von Proteinen innerhalb vonZellen, die in der Lage sind, die Guanin-Nucleotide GDP und GTP zu binden)
• Beispiele: Rezeptoren für Glutamat, GABA, Dopamine, Norepinephrine, Histamine, Serotonin, ...
Spannungsklemme (Voltage Clamp)
Funktionsprinzip
Über einen Rückkopplungsschaltkreis wird das Membranpotential konstant gehalten (auf das Kommando- potential „geklemmt“)
-> Der benötigte Strom entspricht dem Membranstrom bei diesem Potential.
Trennung der Ionenstromanteile:
2 Methoden
Durch Ionensubstitution: (Natrium-freie Extrazellulärlösung)
-> Der benötigte Strom entspricht dem Membranstrom bei diesem Potential.
Durch pharmakologische Blockierung der einzelnen Komponenten
Zeitliche Leitfähigkeitsänderungen der Na+ und K+ Kanäle
s.B.
