Biomembrane,+ Membranpotential den$15$November$2019

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Biomembrane,+

Membranpotential

den$15$November$2019

Prüfungsfrage

Biomembrane,1Membranpoten5al.1Die%Struktur%und%die%Eigenscha3en%der%

Zellmembran%(Hydrophobe%Wechselwirkung),%Membranmodelle.%Dynamik%in%der%

Membran:%laterale%und%transversale%Bewegungen.%Elektrisches%PotenGal.%

Elektrochemisches%PotenGal,%Ionkanäle,%Ionpumpen.%AuKau,%Aufrechterhaltung%

und%Messung%des%RuhemembranpotenGals.%Kalium%Hypothese%von%Bernstein,%die%

NernstPGleichung,%das%DonnanPPotenzial,%die%GoldmanPHodgkinPKatz%Gleichung

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3

Membranstruktur

Biologische Membrane bestehen aus3Lipiden und3Proteinen die mit3nicht8kovalente Bindungen zusammengebunden sind.

Phospholipidmolekül in.der.Zellmembran

4

Phospholipide sind&amphipathisch Molekülen, bei&denen eine der&drei Fettsäuren eines Glyzerins durch eine Phosphatgruppe ersetzt ist:

o Serin,&Äthanolamin,&Cholin,&Inositol...

o Fettsäuren:&Palmitinsäure (C 16 ,&gesättigt)&

und&Ölsäure (C 18 ,&ungesättigt)

hJp://physiologie.cc/I.1.htm

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Anordnung der)Lipide in)Flüßigkeiten

5

1. Monolayer 2. Bilayer 3. Micelle 4. Vesikel

1.#Lipid Einzelschicht

Gorter E, Grendel F.On Bimolecular Layers of Lipoids on the Chromocytes of the Blood.J Exp Med. 1925 Mar 31;41(4):439G 43.

FetteHsindHinHeinerHSchichtHaufHderHOberflächeHdesHWasserHangeordnet G polarer Kopf (hydrophil )"– orientiert zur Wasser

G nonGpolarer Sczwanz (hydrophobe)H– entfernt vonHderHWasserphase

IrvingHLangmuir,H"TheHConstitutionHandHFundamentalHPropertiesHofHSolidsHandHLiquids.HII,"HJournalHofHtheHAmericanHChemicalHHSocietyH39H(1917):H188G1906.

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2.#Lipid Doppelschicht

7

• die Struktur in einem polaren Lösungsmittel

• der hydrophobe Anteil nach innen und der hydrophile Anteil nach außen zeigt

• im apolaren Lösungsmittel kehrt sich die Lage entsprechend um (sogenannte inverse Doppellipidschicht)

• undurchlässig für polare Moleküle oder Makromoleküle

• sehr flexibel und mechanisch schwer zu zerstören

• Wasser und kleine ungeladene Moleküle können durch die Doppellipidschicht diffundieren ohne sie zu schädigen

• Film

8

Flüssig'Mosaik'Modell

„Fluid(mosaic”(model

Singer – Nicolson 1972

! Phospholipid3Doppelschicht(

! Flüssig(3 eine(seitliche(Bewegung(der(Bauteile

! Mosaik 3 mosaikar>ge(Anordnung(von(Makromolekülen

! Zellen(und(Zellorganellen(umhüllt

! Dicke:(5310(nm

! ca 40360%(Lipiden,(ca 30350%(Eiweiß,(ca 10%(Kohlenhydraten

! Mit(ein3/angelagerten Proteinen

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! Amfipatikus molekulák vizes környezetben spontán aggregálódnak.;

! Hidrofób kölcsönhatás tartja őket össze.;

3.#Weitere Modelle

Dynamik in(der(Membran

I. Lateral:(schnelle Bewegung der/Lipide und/Proteine einer Schicht (2um/s)

II. Tarnsversal:(Flip=Flop,/langsam,/Stunden bis Tage

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Membranproteine

• Integrale Membranproteine:#mit der#Membran verbunden und#in#

diese eingelagert ist

• Periphere Membranproteine:2

• A)#über kovalent gebundene Lipid:Gruppen#in#der#

Membran verankert

• B)#durch nicht:kovalente Wechselwirkungen mit den#

Lipid:Kopf#gruppen

• Lipidverankerte Membranproteine

• Proteinverankerte Membranproteine

Aggregation:+Hydrophobe Wechselwirkung

Verringerung der+Entropie

Hydrophobe Molekül

H 2 O

+

^Hydrophobe^Molekül

H 2 O H 2 O H 2 O

Hydrophobe

Molekül Hydrophobe Molekül

!G < 0

!G > 0

Spontan!

• Wasser und-lipophilen Grenzflächen:-keine Wasserstoffbrückenbindungen

• Wasserstoffbrücken untereinander höher geordnet,-stärker binden,-einschränkter in- translational und-rotational Bewegung,-Entropie nimmt zu.

• Lagern sich mehrere unpolare Moleküle zusammen.<Das verringert die Oberfläche zum Wasser und-damit die Anzahl der-geordneteren Wassermoleküle im Medium.-Entropie steigt:

ΔG = ΔH-K TΔS

zur Abnahme der-GibbsKEnergie ΔG führt.

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Die$Membranﬂuidität hängt von$der$

Temperatur ab.

Phasenänderung Punkt (“Schmelzenpunkt”)

Die$charakteristische Kurve hängt von$der$Zusammensetzung der$

Membrane.$

Phasenänderung

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Ruhemembranpoten-al

• Die&Innere einer Zelle ist immer negativer als der&

Äußere:&Negativer

Ruhepotenzial (zwischen @30&

and&@100&mV)

• Untersuchung ist mit&

Mikroelektrode möglich

• Alle Zellen aufhalten einen Potentialunterschied über den&

Zellmembran.&

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Warum&wird das&Membranpoten2al&aufgebaut?

! Ungleiche Verteilung der Ionen auf beiden Seiten der Membran 8 In der Zelle – hohe K

⁺

8 und niedrige Na

⁺

8Konzentration

! Ständig aktive Na8K Pumpe

! Selektiv permeable Membran

8 Die Zellmembran ist permeabler für K

⁺

8Ionen als Na

⁺

Ionen

• Nichtdiffundierbare Ionen (Nucleic Acids & Proteins) mit negativer Ladung in der Zelle sind

http://physiology.elte.hu/eloadas/kiegtanar_elettan/potencial_neuro_2009.pdf

Intrazelluläre Extrazelluläre

[Na

⁺

]222102mM [K

⁺

]2222221402 [Cl

^:

]2222223:4 [Ca

²⁺

]222<10

^:3

[A

^:

]222222140

[Na

⁺

]2221202mM

[K

⁺

]2222222,52

[Cl

^:

]222222120

[Ca

²⁺

]2222222

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Der$Ursprung des$Ruhemembranpotential

! Bernstein Kalium Hypothese

! Nernst:Gleichung # Gleichgewichtspoten>al (elektrochemische Poten>al)

! Donnan : Poten>al Gleichgewicht:.die.Membran.ist.undurchlässig.für.einige.

Komponenten.(z..B. intrazelluläre.Proteine).

! Goldman$– Hodkin : Katz$Gleichung:$ Das.MembranpotenEal.ist.das.Ergebnis.der.

"Kompromiss".zwischen.den.verschiedenen.Gleichgewichtspoten>al,.die.jeweils.

durch.die.Membranpermeabilität und.mit.der.absolute Konzentra>on der.Ionen gewichtet ist.

Bernstein(Kalium Hypothese

K ⁺ :$100$mM Cl ⁺ :$100$mM

K

⁺

:$10$mM Cl

⁺

:$10$mM

I.#Die#Ionen sind#separiert

von#einander

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II.#Die#Membrane ist selek1ve durchlässig für Kalium<Ionen!

Bernstein(Kalium Hypothese

K ⁺ Gradient Elektrische Gradient

[K ⁺ ] [K ⁺ ] [Cl ^' ] ^[Cl

^'

^]

100#mM KCl 10#mM KCl )58#mV

20

h$p://www.st,andrews.ac.uk/~wjh/neurotut/mempot.html

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Wie$kann man$die Bernstein$Hypothese quan5ta5v beschreiben?

Walther(Hermann(Nernst

Német&fiziko,kémikus (1864&– 1941)

Kräfte,(die(die(Bewegung(von(geladenen(Teilchen steuern

1)$ Chemisches(Poten;al(

Konzentra;onsgradienten (Diﬀusion:$die$Par3kel$

aus$dem$Hochkonzentra3onsbereich$zum$

Niedrigeren wandern)

2) Elektrisches Potenzial

Ladungsdiﬀerenz zwischen zwei Seiten der Membran

Elektrochemisches(

Potential(

Die(Summe(der(chemische und(das(elektrische(

Potentialen.

„Driving forces”:

Im Gleichgewicht ist die$Änderung der$Freien Energie beim chemischen und$

elektrischen Konzentrationgradienten ist die$Selber,$aber mit$entgegengesetzten

Richtung.

(12)

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N = Anzahl der Molen

R = Universelle Gaskonstante, 8,314472 J/mol K T = Absolute Temperatur (in K)

X

1

/ X

2

= Konzentrationsgradient

1 chem

2 Chemical potential W NRT ln X

! = X

Nernst'Gleichung

electr

Electrical potential ! W = NzFE

N = Anzahl der Molen z = Valenz

F = Faraday Konstante, 96 485,309 C/mol E= elektrische Feldstärke (V)

Chemisches Potential

Elektrisches Potential

Equilibrium Potential

Nernst 1Gleichung

Welches Membranpotenzial (E) balanciert die Konzentra>onsgradient aus (X 1 /X 2 )?

2 ln 1

X X zF

E = RT

W _chem =.W _elekt

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http://www.st+andrews.ac.uk/~wjh/neurotut/mempot.html

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[K

⁺

] ! _E

mV

**=)*58/1)log)(139/2.5))=) [Na**

⁺

] ! E

mV

**=)*58/1)log)(20/120))=) [Cl**

^*

] ! E

mV

**=)*58/1)log)(3.8/120))=)**

E

mV

=%92mV Na

⁺

:%120%mM

K

⁺

:%2.5%mM Cl

⁰

:%120%mM

Na

⁺

:%20%mM K

⁺

:%139%mM

Cl

⁰

:%3.8%mM

=(30.8(mV

Ionenkonzentration im inneren und(aussen von(einer Muskelzelle

Gemessene Ruhepotezial

* 101.2)mV +)45.1)mV +)86.9)mV

Kalkulierte

Ruhepotezial

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Donnan%Gleichgewicht

DG#beschreibet die ungleiche Verteilung von#Ionen, die sich einstellt,# wenn eine semipermeable Membran für das Lösungsmi?el und#einige,#nicht aber alle (zB negaCve geladene Proteine)#in#der Lösung vorhandenen Ionen durchlässig ist.

Donnan Gleichgewicht

[ ] [ ] [ ] [ ] ^out _in

out in

Cl Cl zF E RT K

K zF

RT ln = = ln

[ [ ] ] [ ] [ ] in

out out

in

Cl Cl K

K =

[ ][ ] [ ][ K _in Cl _in = K _out Cl _out ]

Membran ist durchlässig für Na ⁺ und6Cl ⁸ Ionen!

Wie stark die Ionenverteilung von6der6Gleichverteilung abweicht,6ist abhängig von6der6 Anwesenheit impermeabler Moleküle.6

Je6mehr diffusionsunfähige Moleküle mit6negativen Ladungsschwerpunkten,6desto mehr Gegenionen diffundieren in6die Zelle als Ladungsausgleich.

http://daten.didaktikchemie.uni8bayreuth.de/umat/donnan8gg/donnan8gg.htm

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Das Ruhemembranpotential ergibt sich aus den

Gleichgewichtspotenzialen aller beteiligten Ionensorten, die jedoch entsprechend ihrer Leitfähigkeit (also der Permeabilität der Membran für das entsprechende Ion) unterschiedlich gewichtet werden.