Membranpotential und Stoffwechsel

Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle. Sie bestehen aus einer äussern Membrane, die das Cytosol einschliesst und der inneren Membran, innerhalb der sich die Matrix findet. Die Mitochondrien sind mittels Fäden verbunden. Die äussere Membran hat Poren und ist durchlässig. Die innere Membrane ist nur für kleine, unpolare Moleküle durchlässig, nicht jedoch für H. Die Membran hat viel Protein für den Transport von ATP und Phosphat. In der Matrix laufen anabole und katabole Prozesse ab, in der Membran ist die Elektronenkette und die oxidative Phosphorylierung.

Der ATP-Transport erledigt die Andeninnucleotid-Translocase. Bindung von ATP führt zu einer Konformationsänderun, infolge der ATP durch die Membrane transportiert wird. NAD kann die Membane nicht durchqueren. Die Zelle bedient sich eines Tricks. NADred reagiert mit Oxalacetat zu Malat, dass die Membran durchqueren kann, in der Zelle reagiert Malat wieder zurück zu Oxalacetat und weiter zu Aspartat, dass zurück ins Cytosol kann. Dort wird es wieder zu Oxalacetat reagier. Die Reaktionen werden von den selben Enzymen katalysiert, deren Aktivität aufgrund der unterschiedlichen Umgebungen sich so stark unterscheiden, dass sie den verschiedenen Reaktinoswegen gerecht werden.

Das NADred in der Matrix reagiert mit  DHAP zu Glycerin-3-Phosphat, dass in einem membranständigen Protein mit FAD reagieren kann, dass die Elektronen übernimmt. Von FADH2 werden sie auf QH2 übertragen, dass sich frei in der Membrane bewegen kann und zwischen den einzelnen Komplexen der Atmungskette vermittelt.

Ist eine Chinon mit einem oder zwei Elektronenübertragungspotentialen. Die RedOx-Reaktion erfolgt immer an der selben Stelle am Isoalloxazinring.

Das hydrophobe CoQ bleibt in der Membrane und vermittelt zwischen den einzelnen Komplexen. es kann ein oder zwei Redoxpotentiale aufnehmen.

In den Eisen-Schwefel-Cluster werden eine gleiche Anzahl S und Fe Atome untereinader Verbunden und dienen mit ihren Resonanzen als Elektronenlager. Sie sind mittels Cis an den Proteinen verbunden. Je nach ihrer Geometrie, die sich aus ihrer Position im Protein ergibt haben sie auch unterschiedliche RedOx-Eigenschaften.

Sie enthalten Häme als proesthetische Gruppen. Jedes Häm hat eine Übertragungspotential, die Reduktion erfolgt am Eisen. Das Häm a unterscheidet sich von b und c, die chemische gleich sind, c ist jedoch kovalent an ein Protein gebunden. Häm b ist Cyt b 550. Cyt c vermittelt zwischen dem Komplex III und IV. Im III werden sie reduziert, im IV oxidiert.

In den Elektronenkettenwegen werden exergone Reaktion genutz, H aus der Matrix zu Pumpen. In der Kette I pumpen zwei Elektrone 10 H. Beteiligt sind Komplex I (4H), Komplex III (4H) und Komplex IV (2H).

Zwei Elektronen pumpen 6 H. Stammen die Elektronen beim Weg I direkt von NADred reagiert im Weg II Succerat zu Fumerat, dabei wird FADred geildet, dass die Elektronen transportier. I braucht also NADred, II FADred. Komplex II transportiert die Elektronen auf Co Q, dass sich als Sammelstelle in allen Elektronewegen, auch der Fettsäuren-CoA und der Glycerin-3-Phosphat-Shuttel zu erkennen gibt.Von III stammenwieder 4 H und von IV 2.

Der Komplex eins hat eine Schwanz, der in die Matrix reicht. Dort werden NADred je zwei Elektronen abgenommen und via SFe durch das ganze Protein transportiert. Im membranständigen Teil finden sich H-Pumpen, an die H binden kann. Werden die Pumpen reduziert, kommt es zu einer Konformationsänderung und das H gelangt ins Cytosol. Nach der Reoxidation liegt die Pumpe wieder in der Ausgangskonformatino vor.

Im Komplex wird Succerat zu Fumerat oxidiert, die Elektronen werden durch den Komplex zu CoQ transportiert.

Im Komplex III findet sich der Q-Zyklus. Ein QH2 reduziert je eine Cyt C und ein CoQ, die beiden H gehen ins Cytosol, dass gleiche gilt für das reduzierte Cyt C. Das soeben oxidierte C wird gegen eine neues QH2 ausgetauscht, das selber auch wieder oxidiert wird und eine neues Cyt C sowie das schon reduzierte Q- noch eine weiteres mal reduziert. Wieder verschwinden zwei H ins Cytosol. Das reduzierte Cyt C geht weg, Q wird wieder gegen QH2 ausgetausch. Das nun zweifach reduzierte Q2- zieht zwei H an und wird selber gegen eine neues Q ausgetauscht.  Bilanz: Vier H raus, zwei reduzierte Cyt c und die Elektronen wurden separiert.

Am Komplex dockt das reduzierte Cyt c an und reduziert ein Kupfer. Ein zweite Cyt c reduziert das vorgeschaltene Fe. In einem vierten Schritt bindet O2 an die beide Atome und oxidiert sie. Ein H bindet an das O des Kupfers und gleicht aus, dass ein drittes e von einem CytC gebracht wurde. Auch das O am Fe bekommt ein H und ein viertes Cyt bringt ein Elektron zum Ausgleich. Von der Matrix kommen noch zwei H und es werden zwei Wassermoleküle freigesetzt. Der Komplex IV braucht für einen durchgang vier Elektronen, also zwei Durchgänge von III.

Die Komplexe der Elektronenkette sind in sogennanten Respirasomen angeordnet, genaueres weiss man allerdings noch nicht. Bei  unvollständigen Übertragung auf O2 entstehen gefährliche Radikale, die die DLS oxidieren und so beschädigen. Dagegen gehen eine Vielzahl von Moleküle vor.

Die freie Enthalpie des Elektronentransportes wird in einem H-Gradinten konserviert. Das elektrochemische Potenzial diese Gradienten wird zur ATP-Synthese genutz. das Potenzial kommt zum einen durch die Ladungsverteilung, zum anderen durch den pH-Unterschied zustande.

Die ATP-Synthase ist eine grosser, membranständiger Komples. 10-14 c-Einheiten bilden den sich drehenden c-Ring.  Am c-Ring ist die a-Einheit, in der sich zwei Kanäle für die Protonen finden, einer zeigt ins Cytosol und einer in die Matrix. A und c-Einheit bilden F0. In der Matrix findet sich ein Hexamer aus alpha und beta, die beide enzymatisch aktiv sein könnten, die Synthase findet jedoch ausschliesslich am beta statt. Das Hexamer ist über gamma am c-Ring verbunden. Gamma ist asymmetrisch und koordiniert die Synthase. Es gibt noch weiter kleiner Untereinheiten, die zusammen F1 bilden. F1 und F0 sind über den Strator verbunden.

H kann in den cytosolischen Halbkanal eintreten und Asp neutralisieren. Die Konfomrationsänderung lässt den c-Ring mit dem H um eines im Uhrzeigersinn rotieren. nach fast einer Umdrehung kommt das H in den Matrix-Halbkanal und verlässt das Enzym. Eine Bewegung später kann diese Untereinheit wieder ein H aufnehmen. Mit dem c-Ring dreht sich auch die gamma-Untereinheit und führt ihrerseits zu Konformationsänderungen an beta. Diese gehen von open, ATP verlässt den Komplex über in loose, wo ADP und P bindet und weiter in tight, wo die Synthese stattfindet. Die Rotation von gamma ist es, die die Synthese ermöglich.

Eine Drehung ergibt ca 3 ATP. Für eine Drehung braucht es in etwa 10 H, also braucht es 3 H pro ATP. Ein NADred sollte etwa 3 ATP ergeben. Dies trifft jedoch nicht zu. Generellt ist die Membrane nicht komplett undruchlässig für H. Auch wird H als Cotransporter beim Phosphattransport wieder in die Matrix befördert und über ander Kanäle wird ständig negative Ladung aus der Matrix befördert. NADred sollte ca 10H/ 2.5 ATP ergeben, effektiv sind es jedoch nur 6H/1.5 APT. Ein Glucosemolekül ergibt 30 ATP

Der Elektronentransport wird bei der letzten Reaktion, der Übertragung auf O2 über die Cyt cred-Konzentration reguliert. Bei viel Cyt c arbeitet der Komlex IV schnell. Die Cyt cred-Konzentratin wird in den Komplexen I und III bestimmt. Bei viel NADred oder wenig ATP gibt es auch viel Cyt cred. Allgemeine kann ein Inihibitor zwischen den Komplexen den ganzen Elektronenfluss aufhalten. Das ist die Funktion viler Gifte

Grundvoraussetzung für die Koppelung ist die Undurchlässigkeit der inneren Membrane. Entkoppler sind Moeküle, die diese Verbung lösen und den Wärmegradienten abbauen, ohne ATP herzustellen. Entkoppler sind apolar und tragen protonierbare Gruppen auf sich. Sie diffundiren in die Matrix und geben dort die Hs wieder ab.  Dabei wird die gesamte Energie in Wärme umgesetzt. Der Abbau des Protongengradienten ist bei Säugetieren im Winterschlaf gewünscht. Im braunen Fettgewebe passiert etwas ähnliches, der Elektronentransport bleibt erhalten, auch wird der gradient durch Kanäle (UCP-1) abgebaut, es findet einfach keine Synthese statt.

Kalium strömt solange aus der Zelle, bis die elektrische Anziehung durch die nun negative Zelle gleich ist wie der Drang nach Diffusion. RT*ln(konzInne/konzAussen)+z*Faradayk*potentialdifferenz=0 ist dieser Gleichgewichtszustand. Das elektrische Potential im Gleichgewichtszustand ist also : x=R*T*ln (konzInne/konzAussen)/z/F. Kann man umformen zu x=61*(konzAussen/konzInnen). Das Ruhepotential ist also eine Funktion der extrazellulären Kaliumkonzentration. Bei mehreren Ionen werden diese in der Klammer addiert und jede Konzentration mit der spezifischen Permeabilität multipliziert.

Verursacht wird das Ruhepotential von der Na+K+ ATPase, einer Pumpe die zwei Kalium von Aussen nach Innen und drei Natrium von Innen nach Aussen befördert. Ist also elektrogen, baut selber schon eine Spannung auf. Ein Drittel des ATPs der Zelle geht für diesen Prozess drauf.Oubain ist ein hochspezifischer Blocker dieses Proteines. Wird die nachlieferung von ATP durch Nitrophenol blockert, ändern sich die Konzenterationen relativ schnell und das Ruhepotential bricht zusammen.

Die Lipiddoppelschicht hat Eigenschaften eines Kondensators und eines Wiederstandes. Wird die Zelle mit Ruhepotential polarisiert und überschreitet dabei eine Schwelle wird sie depolarisiert und erreicht beim overshoot sogar positive Werte. Dann wird sie Repolarisiert und  bevor sie wieder das Ruhepotential erreicht fällt sie sogar leicht darunter, man spricht von Hyperpolarisation. Es folgt die absolute Refräkterzeit, in der kein weiteres Aktionspotential ausgelöst wird und die Relative, in der die Potential nicht das Maximum erreichen können.

Seine Charakteristika sind: Eine kurzfristige Umpolarisierung des Membranpotentiales mit alles-oder-nichts-Charakter. Der Ablauf der Schwelle ist Stereotypisch. Mit Ausnahme des Herzens dauert es ca. 1ms  und hat eine anschliessende Refräkterzeit. Es läuft ungehindert am Axon entlang. Die kodierung des Aktionspotentiales bezieht sich entweder auf die mittlere Frequenz oder ein zeitliches Muster. Mit einer Spannungsklemme kann man das Membranpotential konstant halten. Die von der Spannungsquelle eingebrachte Spannung dient zu Ausgleich.

Mit Hilfe eines Riesenaxons eines Tintenfisches machten sie Experimente. Durch Weglassen von Ionen in Lösungen oder dem Blockieren von einzelnen Kanälen, konnte der Einfluss von Natrium und Kalium auf das Membranpotential untersucht werden. Es ergab sich, das dem Aktionspotential spannungsabhängige Kalium und Natriumkanäle unterliegen. Die Natriumströme reagiern explosionsartig, sind aber auch schnell wieder inhibitiert. Die langsameren Kaliumströme reagieren verzögert und fördern die Repolarisation und führt zur Hyperpolarisation. Die Refrektärzeit wird durch die Erholungszeit der Natriumströme bestummen. Das Aktionspotential kann im HH-Model aus den Strömen rekonstruiert werden.

Wichtig für die Erforschung der Ionenkaäle ist die Patch-Clamp-Methode. Dabei wird ein einzelner Ionenkanal mit einer Pipette angesaugt und die Spannungsänderungen zu einer Haltespannung in der Zelle,  gemessen. Es gibt mehrere Techniken. Das Membranpotential unterliegt der Leitfähigket der Membrane für Ionen und damit der spannungsgesteuerten Zustände der Ionenkanäle.

Der Natriumkanal hat drei Zustände, offen, geschlossen und offen blockier. Er kann zwischen diesen Zuständen wechseln. Der Summenstrom setzt sich aus vielen Einzelströmen zusammen, die ganz unterschiedliche Ausprägungen haben können. Der Natriumkanal besitz einen kleine Zusatz, der von verschiedenen Giften als Angriffpunkt gewählt wird. Es gibt verschieden Natriumkanäle.

Der Kaliumkanal ist entweder offen oder geschlossen. Bleibt länger offen und der Summenstrom ist wenigr markant. Das Halbaktivierungspotential definiert die Spannungsschwelle. Wichtig ist dessen Wert und die Steilheit der Kurve.

Zur Verfügung stehen Mutagense von Frosch Oozyten, Klonierung, Rasterelektronenmikroskopie und Elektrophysologische Charakterisierungen. DIe Kanäle sind spannungssensitiv, weil transmembrane Helices im vierten Segment positive geldaen sind. Bei einer Änderung des Membranpotentiales ändert sich auch die Konformation der Helices und der Kanal öffnet sich. Die selektiven Kanäle verfügen über einen Selekttionsfilter. Mechanische Grundvoraussetzung ist die Anpassung der Porenöffnung an die grösse des Iones. Beim Eintritt in die Pore streift das Ion seine Hydrathülle ab, die es erst wider nach der Pore bekommt. Dazwischen simuliert das Protein die Hydrathülle. Das sorgt für Selektivität. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle sind besonders oft von Giften betroffen.

Es gibt Spannungsgeseteuerte und Ligandengesteuerte Ionenkanäle. Bei Letzteren unterschiedet man Ionotrope, wobei ein Ligand an den Rezeptor bindet und den Kanal öffnet, von metabotropen, bei denen ein Ligand intrazellulär einen Signalweg aktiviert, der über Zwischenschritte zum Öffnen eines Kanales führt. Ionotrope Rezeptoren sind Röhren mit Bindungsstellen auf den extrazellulären Abschnitten. Der nACHR ist eine Pentamer mit vier Transmembranuntereinheiten. Es lässt sich ein Zusammenhang zwischen Ligandenkonzentration und Strom feststellen.

Das Aktionspotential entsteht generell am Axonhügel, kann aber auch aus den Dendriten stammen. Es kann sich entalng des Axons passiv, wie in einem Kabel, oder aktiv durch Ionenkanäle, die so auch Tempo und Intensität regulieren können, ausbreiten. Passiv nimmt das Potential aufgrund des Wiederstandes und diverser "Lecks" exponentiel ab. So können Potentiale nur über wenige mm weitergeleitet werden. Für die länge eines normalen Axons, mehrer duzend cm, braucht es den aktiven Transport. Dabei "öffnet" ein Aktionspotential benachbarte Ionenkanäle, das Potential breitet sich so in diese Richtung aus.  Die andere Richtung ist nicht möglich, weil dort die Ionenkanäle noch in der Refrektärzeit stecken.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt vom Axondurchmesser und dem elektrischen Wiederstand ab. Um diesen zu senken, sind die Axonen durch Myelin isoliert. Das Axon wird von mehreren nacheinanderliegenden Melinscheiben eingehüllt und so die Leitungsgeschwindigkeit erhöt. Zwischen den Meyelinscheiben, bei den Ranvierschen Schnürringen ist keine Isolation und das Aktionspotential kann verstärkt werden. In den myelinisierten Abschnitten breitet sich das Aktionspotential durch Diffusion von Ionen aus. Im Zusammenhang mit dem Nervensystem kann es zu zahlreichen Pathologien kommen. Beschäädigte Myelinscheiben äussern sich in MS, fehlerhafte Kanäle sind auch kritisch.

In ihrem "Leben" erfahren sie 5 Stadien. Synthese, Speicherung, Freisetzung, Bindung an Rezeptor und Inaktivierung. Ionotrope Rezeptoren sind Teile von Ionenkanälen, an die Neurotransmitter binden könne und zu einer direkten änderung des postsynaptischen Membranpotentiales führen. Metabotrope Rezeptoren kontrollieren die intrazelluläre Freisetzung von Enzymen, die die Ionenkanäle beeinflussen und haben so indirekte Kontrolle über das Membranpotential.

Ist im Säuger-ZNS für den Hauptteil der schnellen erregenden Übertragung zuständig. In den Mitochondrien der Nervenenden wird Glutamat mittels PAG aus Glutamin synthetisiert. Das Glutamin stammt aus den umgebenden Gliazellen, die das Ausgeschüttete Glutamat aufnehmen und daraus Glutamin synthetisieren. Glutamat gelangt zusammen mit Natrium als Co-Transporter in die Vesikel. Die Inaktivierung von Glutamat erfolgt wiederum durch die Aufnahme via Transporter. Es gibt gliale und neuronale Glutamat-Transporter.

Ionotrope Glutamatrezeptoren sind teil eines Ligandenaktivierten Kationenkanales. Es gibt drei Typen. NMDA (alle drei Kationen hohe Leitfähigkeit), AMPA(Calcium nicht, geringe Leitfähigkeit) und Kainat (alle drei). AMPA und Kainat werden auch als nicht-NMDA-Rezeptor bezeichnet. NMDA ist dahingehend speziell, dass er sowohl liganden- als auch spannungsgesteuert ist. Zum Ruhepotential tragen sie nichts bei, weil sie durch Magnesium blockiert werden. Sie treten erst bei Depolarisation in erscheinung, aber auch dann nur langsam. Die strukturelle Besonderheit der Glu-Untereinheiten ist, dass sie nicht vier Transmembranuntereinheiten aufweisen, sondern nur drei und die zweite eine intramembranäre Schlaufe bildet.

AMPA-Rezeptoren setzen sich in verschiedenen Verhältnisen aus vier Untereinheiten zusammen. 1 und 3 haben eine starke Einwertsrektifizierung und eine hohe Permeabilität für Calcium. 2 hat einen linearen Strom/Spannungsverlauf und ist kaum durchlässig führ Calcium. 2 ist weit verbreitet, deshalb sind viele AMPA für Calcium nicht durchlässig. Die besonderheit von 2 liegt darin, das zwischen Transkription und Translation ein Q/A-Switch stattfindet, bei 1,3und 4 geschieht dies nicht. "Unreife" Synapsen enthalten nur nur NMDA und kein AMPA. Das NMDA kann aber aufgrund des Magnesium gar nicht aktiviert werden. Diese Synapsen reagieren deshalb nicht und werden als "still" bezeichnet.

NMDA-Rezeptoren haben Bindungsstellen für viel verschiedene,kompetitive agonistische wie antagonistische Substanzen. Der Kanal ist Calcium-permeabel. Glutamat ist der potenteste Agonist, Glyzin ein Co-Agonist. Es gibt auch Kanalblocker, die den Kanal verschliessen. Wichtig sind NMDA-Rezeptoren, da sie mit dem spannungsabhängigen Magnesiumblocker als Koinzidenzindikatoren für prä-und postsynaptische Aktivität dienen. Wenn prä, wie post aktivität stattfindet, wird die Übertragungsstärke erhöt, die bedeutung der Synapse wächst. Lernprozess. Überaktivierung von NMDA führt zu massivem Calciumeinstrom. Exzitotoxizität der Apoptose.

Noch zusammensuchen.

Verbreitet im Gehirn, bestehen aus 7 Transmembransegmenten. 8 Glutamatrezeptoren aus drei Klassen. Die BIndungsstelle ist immer N-Terminal und extrazellulär. Die Kopplung vom Glu mit dem Zeilprotein erfolgt also über den meist relativ grossen C-Terminus. Allgemein sind die ionotropen Rezeptoren zentral, die metabotropen peripher in der Synapse gelegen.