Gymnasium Neu Wulmstorf - Natrium-Kalium-Austausch

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Natrium-Kalium-Austausch zwischen innerer und äußerer Membran

Handreichung von Steffi Auer und Johanna Klahn

Video:

http://www.blackwellpublishing.com/matthews/animate.html

„Tunneldurchlass während eines Aktionspotentials“ - „Channel Gating during an action potential“

Beschreibung:

Auf dem Video sieht man die Plasma-Membran einer Nervenzelle, in der sich ein spannungsgesteuerter Natrium- und ein Kaliumtunnel befindet. Außerhalb der Membran befindet sich ein Überschuss an Natrium-Teilchen (Na⁺, im Video grün dargestellt). Innerhalb der Zelle ist ein Überschuss an Kalium-Teilchen (K⁺, im Video orange dargestellt) zu sehen.

Während des Ruhepotentials (Spannung ca. -70mV) sind die Tunnel geschlossen und es findet kein Austausch von Natrium- bzw. Kaliumionen statt. Bei Beginn der Depolarisation (bei ca. -50mV), die durch einen Reiz ausgelöst wird, öffnet sich der Natrium-Tunnel , sodass Na⁺ -Ionen in die Zelle strömen. Die Spannung zwischen der inneren und äußeren Membranseite steigt bis zu einem Maximum von ca. +40mV. Dann verschließt eine Klappe im Zellinnern den Tunnel. Diese Klappe heißt hier h-gate.

Sobald der Na⁺-Tunnel verschlossen ist, öffnet sich der K⁺-Tunnel und Kalium- Ionen strömen ins Zelläußere. Diesen Vorgang nennt man Repolarisation, die Spannung sinkt währenddessen auf -70mV.

Die Spannung sinkt noch weiter bis auf ca. -90mV und steigt dann langsam wieder auf das Ruhepotential von -70mV an. Der Abschnitt, bei dem die Spannung unter -70mV liegt, nennt man Hyperpolarisation. Sobald die Hyperpolarisation einsetzt, schließt sich der Kaliumtunnel und die K⁺ -Ionen können nicht mehr in das Zelläußere gelangen. Das h-gate am Na⁺ -Tunnel öffnet sich zur gleichen Zeit. Somit ist die Reizleitung abgeschlossen und die Nervenzelle befindet sich wieder im Ausgangszustand des Ruhepotentials.

Kationenkanäle

Erklärung:

Bevor die Depolarisation beginnt (während der Ruhephase) ist der Bereich außerhalb der Zellmembran, aufgrund des Natrium-Überschusses, positiv geladen. Innerhalb der Zelle ist die Ladung negativ, da sich dort mehr Proteinanionen (sind im Video nicht dargestellt) als Kaliumionen befinden.

Beginnt die Depolarisation, verschieben sich die Na⁺ -Ladungen und somit das Ladungsgleichgewicht zwischen dem Zellinneren und dem -äußeren. Innen besteht nun eine positive Ladung, weil sich mehr positive (Na⁺ und K⁺) als negative (Proteinanionen) Teilchen im Zellinnern befinden. Außen besteht dadurch eine negative Ladung, da die negativ geladenen Teilchen (Chloridionen) überwiegen. Die Ladungen zwischen dem Zellinnern und -äußeren kehren sich also um.

Dadurch, dass die K⁺-Ionen bei der Repolarisation in das Zelläußere wandern, überwiegen wieder die negativ geladenen Teilchen im Zellinnern. Somit besteht im Innern wieder eine negative Spannung. Da die K⁺ -Ionen wieder außen sind, überwiegen dort die positiv geladenen Teilchen.

Das Anfangsgleichgewicht der Ionenkonzentrationen ist also wieder hergestellt. Im Inneren besteht ein negatives und außen ein positives Potential.

Glossar:

Englischer Begriff	Deutscher Begriff	Erklärung
Sodium channel	Natrium-Tunnel	Tunnel, durch den die Na+ -Teilchen nach innen gelangen.
Potassium channel	Kalium-Tunnel	Tunnel, durch den die K+ -Teilchen nach außen gelangen.
Plasma membrane	Zellmembran	Semipermeable Membran, die die Zelle umschließt.
n-gate	Klappe des Kalium-Tunnels	Spannungsgesteuerte Klappe innerhalb des K+ -Tunnels.
m-gate	Klappe des Natrium-Tunnels	Obere spannungsgesteuerte Klappe des Na+ -Tunnels.
h-gate	Untere Klappe des Natrium-Tunnels	Untere spannungsgesteuerte zusätzliche Klappe des Na+ -Tunnels, die das „Zurückwandern“ der Na+ -Teilchen verhindert.
Resting state	Ruhepotential	Ruhezustand der Membran vor der Reizauslösung (Spannung -70mV)
Depolarization	Depolarisation	Anstieg der Spannung nach der Reizauslösung
Repolarization	Repolarisation	Spannungsabfall nach dem maximalen Anstieg der Depolarisation.
Undershoot	Hyperpolarisation	Abschnitt, bei dem die Spannung unter der des Ruhepotentials liegt (> -70mV)