Ion Channel – Biological Membranes

00:00 Sie sehen hier die schematische Darstellung von Ionenkanalproteinen. Sie haben typischerweise eine Kammer, die sehr selektiv für bestimmte Ionen ist. Okay. Die selektive Durchlässigkeit bedeutet, dass bestimmte Ionen sich durch sie hindurch bewegen, aber das System andere Ionen, die nicht genauso sind, abstößt.

00:17 Zum Beispiel wird das Natriumsystem nur Natrium-Ionen, aber keine Kalium-Ionen durchlassen.

00:24 Wie ich schon sagte, ermöglichen die Ionenkanäle eine sehr hohe Geschwindigkeit der Ionenbewegung. Nun können die Kanalpforten, die dies kontrollieren, sich öffnen und schließen und die Fähigkeit dieser Kanalöffnungen sich zu öffnen und zu schließen, ist ein sehr wichtiger Punkt, im Hinblick auf die Funktion einer einzelnen Zelle. Es gibt verschiedene Dinge, die das Öffnen und Schließen der Kanalöffnungen in diesen Ionenkanalproteinen regulieren können. Eine Manipulation kann eine Veränderung bewirken und wenn diese Veränderung eintritt, dann wird die Membran ihre Polarisation ändern.

00:52 Zum Beispiel hat eine Nervenzelle, die ein Signal empfängt, wenn sie ihre Natriumkanäle öffnet, nun einen sehr großen Unterschied in ihrer Natriumkonzentration, wegen der Natriumionen, die sich durch diesen Kanal bewegen. Nun gibt es verschiedene Arten von Kanalöffnungen, die unterschiedlich auf Dinge in diesen Kanalproteinen reagieren. So gibt es zum Beispiel Kanäle, die als spannungsabhängig bekannt sind.

01:15 In unseren Nervenzellen können wir zum Beispiel ein Signal an einem Ende der Nervenzelle aussenden -und Nervenzellen können übrigens sehr, sehr lang sein- aber das Signal muss über die ganze Strecke entlang der Nervenzelle weitergegeben werden. Wie wird das Signal weitergegeben? Einer der Wege, auf denen das passiert, ist über Ionenkanäle entlang der Nervenzelle die sehr empfindlich auf sehr kleine Änderungen der Spannung reagieren. Wenn die Natriumionen in die Nervenzelle kommen, ändert sich in der Nähe dieser Stelle, wo sie eintreten, die Spannung sehr geringfügig, was bedeutet, dass ein Ionenkanal, der spannungsempfindlich ist und sich in der Nähe davon befindet, sich selbst öffnet, was zur Fortpflanzung einer Reihe von Schritten des Öffnens, Öffnens, Öffnens, Öffnens, Öffnens, Öffnens, Öffnens entlang der gesamten Nervenzelle führt. Bemerkenswerterweise kann dies sehr schnell geschehen.

02:04 Natrium und Kalium sind die häufigsten dieser Art von Kanälen, aber es gibt auch Kalziumkanäle und andere, die sich öffnen können.

02:12 Nun die ligandengesteuerten Kanäle befinden sich typischerweise an Knotenpunkten oder Synapsen zwischen Nervenzellen, wobei die Informationen von einer Nervenzelle über den Spalt hinweg an eine andere weitergegeben werden. Diese ligandengesteuerten Kanäle können auf bestimmte Neurotransmitter oder andere Moleküle reagieren, die von der ersten Zelle an die zweite Zelle abgegeben werden. Stellen wir uns also vor, wir haben zum Beispiel eine Nervenzelle, die ein Signal erhalten hat und das Signal hat das Ende der Zelle erreicht.

02:41 Nun wollen wir nicht, dass das Signal versiegt, sondern wir wollen, dass das Signal auf die nächste Nervenzelle übertragen wird, aber es gibt eine Lücke zwischen den beiden. Wenn das passiert, setzt die erste Nervenzelle einen sogenannten Neurotransmitter frei und der Neurotransmitter wandert von der einen Zelle zur anderen Zelle, und bindet an sie. Und wenn er an sie bindet, veranlasst er die andere Zelle dazu, ihre Kanäle zu öffnen. Dieser Prozess, den ich gerade beschrieben habe, ist ein ligandengesteuerter Prozess, bei dem ein Molekül, wie zum Beispiel ein Neurotransmitter, sich durch die Synapse bewegt und zur Kanalöffnung führt. Die Öffnung dieses Kanals setzt sich nun entlang der nächsten Nervenzelle so, wie ich es gerade beschrieben habe, fort. Es gibt noch andere Kanäle, über die andere Nervenzellen reagieren können. Es gibt zum Beispiel Kanäle, die auf Licht reagieren, es gibt Kanäle, die auf mechanischen Druck reagieren und es gibt auch Kanäle, die auf die Temperatur reagieren.

03:38 Nun ein sehr interessanter Kanal, über den wir sprechen und über den ich auch in einer anderen Vorlesung in diesen Modulen gesprochen habe, ist die ATP-Synthase. Die ATP-Synthase ermöglicht die Bewegung von Protonen in die Mitochondrien. Was wir also hier sehen, ist eine Darstellung der Lipiddoppelschicht des Mitochondriums. Das Mitochondrium hat einen Teil des ATP-Synthase-Enzyms in sich eingebettet.

04:04 Der Teil, der für diese Diskussion relevant ist, ist der rosafarbene Teil oben, der in die Lipiddoppelschicht eingebettet ist. Sie können in dieser Abbildung sehen, dass die Konzentration der Protonen oben, also außerhalb des Mitochondriums, größer ist als unten.

04:19 Der rosafarbene Teil der ATP-Synthase ist ein Ionenkanal und der Ionenkanal ermöglicht die Bewegung von Protonen durch ihn hindurch. Wir sehen also die Lipiddoppelschicht, wir sehen hier ebenso den sogenannten Stiel der ATP- Synthase und wir sehen den Rotor.

04:38 Der Rotor ist der Teil, der den Stiel in der Lipiddoppelschicht mit dem "Pilzkopf" ganz unten verbindet.

04:44 Jetzt rotiert dieser Rotor tatsächlich, er dreht sich tatsächlich. Und er dreht sich, wenn sich die Protonen durch den Stiel bewegen. Dies ist ein bemerkenswerter Prozess.

04:55 Ich möchte hier als Analogie eine Turbine an einem Staudamm, wo das Wasser fließt, nennen.

05:03 Die Turbine dreht sich und erzeugt Strom. Bei der ATP-Synthase bewegen sich Protonen durch die "Turbine", und die Turbine dreht den Rotor, und die Bewegung des Rotor führt zur Synthese von ATP, was ein bemerkenswerter Prozess ist. Wir können jetzt sehen, wie dies hier geschieht.

05:19 Die Protonen aus der höheren Konzentration dringen von oben in die Kammer ein, bewegen sich hindurch und kommen unten wieder heraus. Dies ist eine sehr natürliche Bewegung für sie, weil wieder die Konzentration der Protonen außerhalb der Lipiddoppelschicht größer ist als innerhalb.

05:35 ADP gelangt zusammen mit Phosphat in die pilzförmige Kammer, wie man hier sehen kann. Der pilzförmige Teil der ATP-Synthase quetscht diese beiden zusammen und wenn er sie zusammenpresst, bildet er ein ATP, das er dann freisetzt, und das ist der Weg, auf dem das meiste ATP in unseren Zellen gemacht wird.