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6.13: Ionenkanäle
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Ion Channels
 
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6.13: Ion Channels

6.13: Ionenkanäle

Ion channels maintain the membrane potential of a cell. For most cells, especially excitable ones, the inside has a more negative charge than the outside of the cell, due to a greater number of negative ions than positive ions. For excitable cells, like firing neurons, contracting muscle cells, or sensory touch cells, the membrane potential must be able to change rapidly moving from a negative membrane potential to one that is more positive. To achieve this, cells rely on two types of ion channels: ligand-gated and voltage-gated.

Ligand-gated ion channels, also called ionotropic receptors, are transmembrane proteins that form a channel but which also have a binding site. When a ligand binds to the surface, it opens the ion channel. Common ionotropic receptors include the NMDA, kainate, and AMPA glutamate receptors and the nicotinic acetylcholine receptors. While the majority of ionotropic receptors are activated by extracellular binding of neurotransmitters such as glutamate or acetylcholine, a few can be intracellularly activated by ions themselves.

When a ligand, like glutamate or acetylcholine, binds to its receptor it allows the influx of sodium (Na+) and calcium (Ca2+) ions into the cells. The positive ions, or cations, follow down their electrochemical gradient, moving from the more positive extracellular surface to the less positive (more negative) intracellular surface. This changes the membrane potential near the receptor, which can then activate nearby voltage gated ion channels to propagate the change in membrane potential throughout the cell.

Another ligand gated ion channel, the GABAA receptor, permits chloride ion (Cl-) into the cells. This actually lowers the membrane potential, limiting the propagating effects and inhibiting the excitable cell.

Voltage-gated ion channels open or close in response to changes in membrane potential, such as when a neighboring ligand-gated ion channel opens. There are several different types of voltage-gated channels that have selective permeability, meaning ions are filtered by size and charge. Voltage-gated calcium channels are important for muscle contraction and neurotransmitter release. Potassium channels work to repolarize the cell membrane after an action potential. Voltage-gated proton channels open during depolarization to remove protons from the cell.

Ion channels may play a role in migraine headaches. The dura mater is a protective covering for the brain. It is innervated by several cranial nerves. It is hypothesized that migraine originates in these nerves. Both ligand- and voltage-gated ion channels in the dura mater may potentiate pain signals by altering membrane potentials.

Ionenkanäle erhalten das Membranpotential einer Zelle. Bei den meisten Zellen ist das Innere der Zelle negativer geladen als das Äußere. Es enthält mehr negative als positive Ionen. Dies ist besonders bei erregbaren Zellen der Fall. Bei einem feuernden Neuron, einer kontrahierenden Muskelzellen oder sensorischen Berührungszellen, muss sich das Membranpotential beispielsweise schnell von einem negativen in ein positiveres Membranpotential verändern können. Damit das möglich ist, sind Zellen auf zwei Arten von Ionenkanälen angewiesen: ligandengesteuerte und spannungsgesteuert Kanäle.

Ligandengesteuerte Ionenkanäle, auch ionotrope Rezeptoren genannt, sind Transmembranproteine, die einen Kanal bilden und gleichzeitig eine Bindungsstelle besitzen. Wenn ein Ligand an die Oberfläche bindet, öffnet dieser den Ionenkanal. Häufige ionotrope Rezeptoren sind die NMDA-, Kainat-und AMPA-Glutamatrezeptoren sowie die nikotinischen Acetylcholinrezeptoren. Während die Mehrzahl der ionotropen Rezeptoren durch extrazelluläre Bindung von Neurotransmittern wie Glutamat oder Acetylcholin aktiviert wird, können einige wenige intrazellulär durch Ionen selbst aktiviert werden.

Wenn ein Ligand, wie Glutamat oder Acetylcholin, an seinen Rezeptor bindet, aktiviert er den Einstrom von Natrium-(Na+) und Calcium-Ionen (Ca2+) in die Zellen. Die positiven Ionen oder Kationen folgen ihrem elektrochemischen Gradienten und bewegen sich von der positiveren extrazellulären Oberfläche zur weniger positiven (negativeren) intrazellulären Oberfläche. Dadurch ändert sich das Membranpotential in der Nähe des Rezeptors. Dieser kann dann nahegelegene spannungsgesteuerte Ionenkanäle aktivieren, um die Änderung des Membranpotentials in die gesamten Zelle zu übertragen.

Ein weiterer ligandengesteuerter Ionenkanal, der GABAA-Rezeptor, lässt Chloridionen (Cl-) in die Zellen eindringen. Dies senkt das Membranpotential, begrenzt die Ausbreitungseffekte und hemmt die erregbare Zelle.

Spannungsgesteuerte Ionenkanäle öffnen oder schließen sich als Reaktion auf Änderungen des Membranpotentials. Wenn sich also beispielsweise ein benachbarter ligandengesteuerter Ionenkanal öffnet oder schließt. Es gibt verschiedene Arten von spannungsgesteuerten Kanälen, da sie selektive Permeabilität aufweisen. Das heißt, dass Ionen nach Größe und Ladungszustand gefiltert werden können. Spannungsgesteuerte Kalziumkanäle sind wichtig für die Muskelkontraktion und die Freisetzung von Neurotransmittern. Kaliumkanäle bewirken eine Repolarisierung der Zellmembran nach der Auslösung eines Aktionspotentials. Spannungsgesteuerte Protonenkanäle öffnen sich während der Depolarisation, um Protonen aus der Zelle zu entfernen.

Ionenkanäle können bei Migräne-Kopfschmerzen eine Rolle spielen. Die Dura Mater ist eine Schutzhülle für das Gehirn. Sie wird von mehreren Hirnnerven durchzogen. Es wird vermutet, dass Migräne von diesen Nerven ausgeht. Sowohl liganden -als auch spannungsgesteuerte Ionenkanäle in der Dura Mater können durch Veränderung von Membranpotentialen Schmerzsignale potenzieren.


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