Physiologie (Subject) / Ionenkanal (Lesson)

Zunächst wird eine Übersicht über wichtige Ionenkanalfamilien gegeben. Aus funktioneller Perspektive wird dargestellt, dass Ionenkanäle sich durch zwei Merkmale klassifizieren lassen: zum einen sind das die Mechanismen der Aktivierung (konstitutiv geöffnet, spannungsgesteuert, liganden-gesteuert usw.) und zum anderen die Permeabilitätseigenschaften der Ionenkanäle (selektiv-permeabel, nicht-selektiv permeabel). Dabei wird der für einen Ionenkanal charakteristische Begriff des (Strom-) Umkehrpotentials an Beispielen vertieft. Um die Wirkung der Aktivierung bzw. der Blockade eines Ionenkanals vorhersagen zu können, werden die Größen Strom, elektrischer Leitwert und Permeabilität gegeneinander abgegrenzt. Insgesamt soll ein Grundverständnis erworben werden, dass sich Ionenkanäle durch eine große strukturelle und funktionelle Vielfalt auszeichnen und die primären, molekularen Ansatzpunkte zur Regulation des Membranpotentials und der Erregbarkeit nicht zuletzt für therapeutische Interventionen sind. Es soll die Kompetenz erworben werden, die Folgen für das Membranpotential und die zelluläre Erregbarkeit bei Aktivierung bzw. Blockade eines gegebenen Ionenkanals einschätzen zu können. Durch das differenzierte Verständnis von Fachbegriffen soll das Selbststudium über Ionenkanäle und Erkrankungen, die auf Ionenkanaldysfunktionen basieren, erleichtert werden. Anmerkungen zur Vorbereitung: Elektrizitätslehre/Ohmsches Gesetz, Spannung, Strom, Widerstand, Leitfähigkeit. Weitere Voraussetzungen sind die folgenden Lerninhalte aus Modul 3 „Biologie der Zelle“: Nernst-Gleichung, Membranpotential, elektromotorische Triebkraft, Ionenkanäle. Übergeordnetes Lernziel: Die Studierenden sollen wichtige Ionenkanäle und Ionenkanalfamilien menschlicher Zellen klassifizieren und ihre Funktion für das Membranpotenzial darlegen können. Sie sollen wichtige Eigenschaften von Ionenkanälen (Selektivität, Permeabilität, Leitwert, Umkehrpotenzial) erläutern können. Sie sollen an Beispielen das Umkehrpotenzial des durch den Ionenkanal vermittelten Stroms in Bezug zu dessen Permeationseigenschaften setzen können. Lernspirale: Aufbauend auf den Vorlesungen „Analoge Signale“ und „Aktionspotentiale“ in Modul 4 „Signal- und Informationssysteme“ gibt dieses Seminar den Studierenden eine Einführung und Übersicht in die komplexe Welt der Ionenkanäle, die in der jeweils spezifischen Komposition in allen Zellen exprimiert werden und durch genetisch bedingte Fehlfunktionen die Ursache zahlreicher Erkrankungen bilden. Es werden Kenntnisse vermittelt, die die Voraussetzung für aufbauende Lehrveranstaltungen in Woche 2 des Moduls 4 bilden. Darüber hinaus wird auf diesen Kenntnissen letztlich in allen Modulen mit erregungsphysiologischen, aber auch transportphysiologischen Inhalten aufgebaut.

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• Was sind Ionenkanäle und wodurch unterscheiden sie sich von Ionenpunpen? Ionenkanäle sind integrale Membranproteine, die den Durchtritt von Ionen durch die Lipiddoppelschicht der Zellmembran ermöglichen Aufgrund dieser Funktion werden sie auch als Kanalproteine oder Tunnelproteine bezeichnet. Der Transport erfolgt dabei entlang des bestehenden elektrochemischen Gradienten (dem Konzentrations- und Potentialgefälle). Dadurch unterscheiden sie sich von aktiven Transportproteinen wie den Ionenpumpen, die ihrerseits unter Energieverbrauch den primär aktiven Transport über Ionenkanäle ermöglichen. Ionenkanäle finden sich sowohl in der außenliegenden Zellmembran als auch in den Membranen der Zellorganellen wie dem Tonoplast.
• Welche Bedeutung haben Ionenkanäle ( im Zusammenhang mit anderen Transportproteinen) für Transportprozesse über das Membransystem der Zelle? - Regulation der osmotischen Aktivität - Regulation des Säure-Basen-Haushalts - die Aufnahme und Ausscheidung von Stoffen -Erregungsleitung in Nerven- und Muskelzellen
• Was versteht man unter dem Kaliumkanal, nenne verschiedene Mechanismen der Aktivierung verschiedener Kaliumkanäle! Der Kaliumkanal (engl. potassium channel) bezeichnet einen Ionenkanal, der in spezifischer Weise den Durchtritt für Kaliumionen gestattet. Der Transport von Kaliumionen durch den Kaliumkanal erfolgt passiv durch Diffusion. Seine Richtung wird durch die elektrochemische Triebkraft für Kaliumionen bestimmt.Mechanismen der Aktivierung unterschiedlicher Kaliumkanäle Mechanismen der Aktivierung unterschiedlicher Kaliumkanäle: Spannungsaktivierte Kaliumkanäle Kalziumaktivierte Kaliumkanäle G-Protein-aktivierte Kaliumkanäle Mechanisch aktivierte Kaliumkanäle ATP-sensitive Kaliumkanäle
• Was sind Natriumkanäle? Als Natriumkanäle werden in der Physiologie und Zellbiologie Ionenkanäle bezeichnet, die eine spezifische und mehr oder weniger selektive Leitfähigkeit für Natrium-Ionen aufweisen.Wie andere Ionenkanäle können Natriumkanäle spannungsaktiviert oder nicht spannungsaktiviert sein. 
• Was sind Glutamatrezeptoren? Glutamatrezeptoren sind Transmembranproteine in der Membran von Neuronen, die spezifisch den Neurotransmitter Glutamat binden. Besonders groß ist ihre Dichte an der postsynaptischen Membran glutamaterger Synapsen.
• Was versteht man unter Innenpumpen ? Ionenpumpen sind Transmembran-Transportproteine , die den Transport bestimmter Ionen durch eine biologische Membran regulieren. Die Lipiddoppelschicht biologischer Membranen ist für geladene Moleküle, also auch für Ionen, undurchlässig. Der Transport über Ionenpumpen ist einer der spezifischen Mechanismen, um einen regulierten Austausch von Ionen durch die Membran zu gewährleisten bzw. um die Konzentrationsunterschiede der Ionen zwischen den beiden Seiten der Membran aufrechtzuerhalten.[1] Im Gegensatz zu Ionenkanälen wird dabei prinzipiell eine energetisch günstige mit einer energetisch ungünstigeren Reaktion gekoppelt.
• Wie ist die Zellmembran aufgebaut? Die Zellmembran besteht aus zwei chemischen Komponenten, der Lipiddoppelschicht und den darin eingelagerten Membranproteinen. Die Lipiddoppelschicht stellt einen nahezu perfekten elektrischen Isolator dar. Während lipidlösliche, unpolare Substanzen durch die Lipiddoppelschicht diffundieren können, ist sie impermeabel für geladene und polare Teilchen. Der Übergang eines geladenen Teilchens von Wasser in die Lipidschicht erfordert sein Herauslösen aus der Hydrathülle und sein Einbringen in die Lipidschicht. Bei Ionen wären dazu gewaltige Energiemengen erforderlich, die an der Zelle nicht zur Verfügung stehen (Born’sche Barriere).

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