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Membranpotential
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Ionenverteilung innerhalb und außerhalb der Zelle
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Ionenverteilung innerhalb und außerhalb der Zelle
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Elektrochemisches GleichgewichtK+ permeable Membran trennt zwei Behälter wechselseitige K+ Diffusion über die K+-Kanäle
K+ Konzentrationsgradient einseitiger K+ Fluss , Aufladung der Membran
Bis chemische und elektrische Kraft im Gleichgewicht sind Gleichgewichtspotential
Membranpermeabelfür K+
1 mM KCl 1 mM KCl
VoltmeterV = 0 mV
10 mM KCl 1 mM KCl
Anfangs:V = 0 mV
10 mM KCl 1 mM KCl
Im Gleich-gewicht:V = -58 mV
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Nernst - Gleichung
EA elektrisches Gleichgewichts-potential für Ion A
z Valenz des Ions log 10-Logarithmus [ ]a/i Konzentration innen/aussen
Gilt für 25°C
EK elektrisches Gleichgewichts-potential für Kalium
R allgemeine GaskonstanteT Temperatur in °KelvinF Faradaykonstantez Valenz des Ions (= +1 für K+)ln natürlicher Logarithmus [ ]a/i Konzentration innen/aussen
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Membranpotential in Abhängigkeit von [ K ]a bei Neuronen und Glia
Dudel Menzel Schmidt
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Goldmann - Gleichung
Vm MembranpotentialR allgemeine GaskonstanteT Temperatur in °KelvinF Faradaykonstanteln natürlicher Logarithmus [ ]a/i Konzentration innen/aussen
P Permeabilität, hängt von Zahl der Kanäle ab
Gleichung gilt nur für monovalente Ionen,Beachte: Cl- Konzentrationen sind invertiert (Valenz: -1)
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Vm wird dominiert vom Ion mit dergrößten Membranpermeabilität
Normalzustand eines Neurons:
PK : PNa : PCl = 1 : 0,04 : 0,45
Während eines Aktionspotentials:
PK : PNa : PCl = 1 : 20 : 0,45
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Membran - Ersatzschaltbild
Vm Membranpotential
gIon Leitfähigkeit der Membran(proport. zu Permeabilität)
EIon Gleichgewichtspotential
cm Membrankapazität
Vm
Dudel Menzel Schmidt
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Kaliumkanal
Dudel Menzel Schmidt
Bindungsstelle Engstelle(oszillierend)
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Zusammenfassung: Ruhemembranpotential
• Aktive Membranpumpe(Na/K-ATPase) erzeugt unterschiedlicheKonzentrationen für Natrium und Kalium im intra-/extrazellulären Raum
– Innen: viel Kalium wenig Natrium
– Aussen wenig Kalium viel Natrium;
• Membran ist im Ruhezustand hauptsächlich für Kalium permeabel
• Membranpotential entsteht aufgrund Wanderung von Kaliumionen nach aussen
• Es entsteht elektrochemisches Gleichgewicht. Wanderung der Kaliumionen stoppt, wenn chemischer Gradient durch elektrischen Gradienten kompensiert wird.
• Nernst-Gleichung beschreibt das entsprechende Potential (für einen Ionentyp)
• Goldmann-Gleichung beschreibt den Anteil unterschiedlicher Ionentypen am Membranpotential
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Steuerung von Membrankanälen
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offengeschlossen
Liganden-gesteuert
gesteuert durchPhosphorylierung
mechanischgesteuert
Membrankanäle könnengeöffnet und geschlossenwerden
offengeschlossen
blockierendes Teilchen
Spannungs-gesteuert
Kandel
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Definition einer Depolarisation und einer Hyperpolarisation
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Struktur von V-abhängigen Kanälen
Na+ Kanal, α-UE
Ca+ Kanal
K+ Kanal
Motiv von sechs α−helicesals Transmembrankomponenten
In rot: SpannungssensorP-regionen bilden die Wand der Pore
Kandel
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Refraktärphase V-abhängiger Kanäle
geschlossen offen refraktär
aufgrund vonÄnderung des Membranpotentials
Ca2+ Bindung
Dephospho-rylierung
Kandel
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Zusammenfassung: Steuerung von Membrankanälen
• Öffnungszustand kann abhängen von:- Blockierende Teilchen- extrazelluläre Bindung spezifischer Liganden- intrazelluläre Modulation (z.B. Phosphorylierung)- mechanische Reizung- Membranpotential Depolarisation/Hyperpolarisation
• Spannungsabhängige Kanäle sind meist nur kurz geöffnet und dann inaktiviert(Refraktärphase)