Methode zur Charakterisierung von Ionenkanälen
- pharmakologisch mittels Toxinen
- molekulare Analyse mittels Röntgen-Kristallografie
- Untersuchung der Expression bei Gen-Mutation
- elektrisch mittels Einzelkanalableitung per Mikropipette (patch clamp)
Elektrische Eigenschaften des Lipid-Bilayers
- großer Widerstand
- Kondensatoreigenschaft -> große Kapazität
bei Ruhepoteintial von -70mV große Feldstärle auf kurzer Distanz - Membraneigenschaften können als Ersatzschaltbilder abgebildet werden: Hochpass/Tiefpass
Mechanismen, die das Aktionspotential terminieren.
- Inanktivierung der Natriumkanäle
- spannungsabängiges Öffnen der Kaliumkanäle -> zeitverzögertes Gleichrichten
HERG
human ether-a-go-go related gene
- Kaliumkanal ist beim Menschen an Repolarisation des Herzmuskel-Aktionspotentials beteiligt
- bei Fehlfunktion Häufung von Kammerflimmern
- viele Substanzen (Medikamente) können mit HERG interagieren und müssen daraufhin untersucht werden
elektrische Messung einzelner Kanäle
- Einzelkanalableitung per Mikropipette (patch clamp)
- Messpipette muss dicht anliegen (Giga-Ohm-Seal) -> Silikatglas schließt am Besten
- Membran muss sauber sein, Durchführung im Faradayschen Käfig (gg Rauschen)
Eigenschaften aus der Kristallstruktur des bakteriellen Kaliumkanals
- Kanalpore bildet Selektivitätsfilter, der genau auf Größe des hydratisierten Kaliumions abgestimmt ist (keine Ineraktion mit kleinerer Na+ Hydrathülle und zu geringe Abmessung für größere Ionen)
- Kanal beinhaltet drei Kaliumionen, die sich durch Abstoßung ggseitig hindurchschieben -> kurze Verweildauer, wässrige Pore, weil Ionen besser durch wässriges Milieu passieren
Messverfahren für interzelluläre Potentiale
- Ganzzellmessung mittels Mikropipette (jedoch mit Dialyse der Zelle)
- scharfe Mikroelektrode (wird in die Membran gerammt)
Patch Clamp
Einzelkanalableitung mittels Mikropipette
- Ableitung zeigt stochastisches Verhalten (sofern korrekt an einem Kanal durchgeführt)
- muss dicht anliegen (Giga-Ohm-Seal)
- bei Ganzzellableitung kein patch Clamp
Tiefpass-Antworteigenschaft der Nervenzellmembran
durch parallel geschaltete kapazative und Widerstandeigenschaft
Beschleunigung der Aktionspotential-Ausbreitung im Axon
- geringerer Längswiderstand durch dickere Axone
- reduzierung der Kapazität durch Isolierung in Form von Myelinierung (entspricht größerer Entfernung der Kondensatorplatten)
Cajals Neuronentheorie
das Gehirn besteht aus diskreten Recheneinheiten (einzeln, autonom, physisch getrennt), die untereinander über chemische Synapsen in Verbindung stehen -> entspricht der Golgi-Färbung
anatomische Befunde, die die Neuronentheorie stützen
- entspricht der Golgi-Färbung, einer Silbernitratfärbung, die 1-2% der Zellen vollständig anfärbt –> diskrete Einheiten (Neurone) können dargestellt werden
- Struktur der Synapse + präsynaptische Vesikel (enthalten Transmitter) sind elektronenmikroskopisch darstellbar, auch des SNARE Komplexes aufgeklärt
- in Nervensystem auch elektrische Synapsen auffindbar
Wie ergibt sich die scharf aufsteigende Flanke der Aktionspotentiale
- Öfnnen des spannungsabhängigen Natriumkanals bewirkt schnellen Einstrom von Natrium, getrieben durch Elektrostatik + konz, Gradienten
positive- Rückkopplung –> weitere Depolarisation nach Einsetzen des Aktionspotentials
Vorteile von in-vitro Präparaten
Pharmakolie, mechanische Stabilität und leichtere Visualisierung
Warum wirken Kaliumionen stärker auf das Ruhepotential als Natriumionen?
spezifische Permeabilität der Membran für K+ ist besonders hoch
Wie ergeben sich die kapazativen Eigenschaften der Nervenzellmembran
- je kleiner die Distanz zwischen den Kondensatorplatten und je größere deren Fläche, desto größer ist deren Kapazität (Calpha A/d)
- die Membran besteht aus einem sehr ausgedehtnetn, dünnen aber durchlässigen Lipid-Bilayer, was zu einer großen Kapazität führt
Ruhepotential
ergibt sich furch Einflüsse der unterschiedlichen Ionenpermeabilität der Kanäle, sowie aktive Prozesse - Na-K-Pumpe - dar.
Initial besteht eine ungleiche Ionenverteilung
Funktion und Energieverbrauch der Na-K-Pumpe
- Arbeit gegen Elektrostatischen- und Konzentrationsgradienten -> daher nur unter Energieverbrauch
- unter Hydrolyse von ATP werden 3 Na+ ausgeschleust,, im 2. Schritt 2 K+ Ionen eingeschleust (elektrogen- Zellpotential wird negativer)
- dient zur Aufrechterhaltung oben genannter Gradienten
Semipermeabilität der Zellmembran
- Lipid Bilayer ist undurchlässig für große, polare, geladene Teilchen
- Semipermeabilität ergibt sich durch die selektiven Eigenschaften der eingelagerten Kanäle, die jeweils nur eine bestimmte Ionensorte passieren lassen
GFP
ist genetisch kodierbar, existiert in verschiedenen spektralen Varianten, zeigt eine hohe räumliche + zeitliche Auflösung, ist leicht anregbar (gute Quantenausbeute) und hat ein sehr stabiles Flurophor mit großer Crosssection
konventionelle Mikroskopie kann zelluläre Vorgänge im intakten Hirn nicht untersuchen…
…weil das Gehirngewebe das Licht zu stark streut.
Wie beschränkt man im Konfokalmikroskop bzw im Zweiphotonenmikroskop die Bildgebung auf die Focusebene?
- Konfokalmikroskop: Herausfiltern der Streuphotonen durch eine zusätzliche Blende
- Zweiphotonenmikroskop: nur ein einziger Lichtpunkt wandert durch Gewebe (stark fokussierter Laser)
synaptische Kalzium Signal
können durch synthetische oder genetisch kodierbare Kalziumindikatoren gemessen werden
Wie kommen hyperpolarisierende bzw. shunting Inhibition zustande und was sind die rechnerischen Unterschiede dieser Inhibitionsformen?
shunting Inhibition: wird bei Erregung/Depolarisation der Zelle des GABA-A Kanals geöffnet (ligandengesteuerter Chloridkanal).
So wirkt die bei einem Gleichgewicht von Chlorid der Depolarisation entgegen. Der Widerstand wird Verändert -> rechnerisch wie Division (halber Widerstand=halbes Potential)
