Ligandengesteuerte Ionenkanäle als Operatoren

Kurze Antwort
Im Allgemeinen werden von Hodgkin & Huxley abgeleitete Modelle verwendet, um die Gating-Eigenschaften von Ionenkanälen und Liganden-betriebenen Rezeptoren zu beschreiben.

Hintergrund
Ligandengesteuerte und spannungsgesteuerte Ionenkanäle erfüllen nicht wirklich eine Gedächtnisaufgabe. Stattdessen leiten sie Ionen durch die Zellmembran und können so Informationen aus der Zelle heraus (Freisetzung von Neurotransmittern / Spannungsänderungen) in die Zelle transportieren. Ihre Rolle ist physiologisch und ihre Modellierung basiert typischerweise auf der Kinetik von Hodgkin & Huxley (Sig, 2014) (Abb. 1).

^{Abb. 1. Hodgkin & Huxley-Modell der Membrankinetik. Quelle: Neuronale Dynamik}

Das Hodgkin-Huxley-Modell modelliert die semipermeable Zellmembran als Kondensator, der das Zellinnere von der extrazellulären Flüssigkeit trennt. Wenn ein Eingangsstrom in die Zelle eingespeist wird, kann er den Kondensator weiter aufladen oder durch die Kanäle in der Zellmembran lecken. Jeder Kanaltyp wird durch einen Widerstand (Stromleiter) modelliert. Der unspezifische Kanal hat einen Leckwiderstand R, der Natriumkanal einen Widerstand R _Na und der Kaliumkanal einen Widerstand R _K. Der diagonale Pfeil über dem Diagramm des Widerstands zeigt an, dass der Wert des Widerstands nicht fest ist, sondern sich ändert, je nachdem, ob der Ionenkanal offen oder geschlossen ist. Aufgrund des aktiven Ionentransports durch die Zellmembran ist die Ionenkonzentration innerhalb der Zelle anders als in der extrazellulären Flüssigkeit. Das durch die Ionenkonzentrationsdifferenz erzeugte Nernstpotential wird durch eine Batterie dargestellt. Das Nernstpotential ist abhängig vom Ion und daher gibt es getrennte Batterien für Natrium, Kalium und den unspezifischen dritten Kanal mit den Batteriespannungen E _Na , E _K und E _L (Quelle: Neuronal Dynamics ).

Nun zu Ihrer bearbeiteten Frage: Sie sagen

[Ionenkanäle] werden einfach sofort ein- und ausgeschaltet. Aber das ist vielleicht zu stark vereinfacht: Es dauert einige Zeit...

Es geht noch weiter; spannungsgesteuerte Ionenkanäle wie der Na ⁺ -Kanal werden mit wohldefinierten Zeitkonstanten aktiv aktiviert und inaktiviert, die unter anderem den Prozess der absoluten und relativen Refraktärität von Nervenzellen bestimmen (Abb. 2). Die zeitlichen Gating-Eigenschaften hinsichtlich Aktivierung und Inaktivierung werden als Zeitkonstanten ausgedrückt, die beispielsweise in einem Markov-Modell (Wang et al ., 2004) beschrieben werden können . Zum Beispiel,

dm/dt = 1/τm(V) * (m∞(V)−m), wobei

m∞(V) = α(V) / [α(V)+β(V)] (9) τm(V) = 1 / [α(V)+β(V)]

Dabei ist m∞ die stationäre Aktivierung und τm die Aktivierungszeitkonstante des Na+-Stroms (n∞ und τn repräsentieren die gleichen Größen für den K+-Strom). Im Fall von h werden h∞ und τh als stationäre Inaktivierung bzw. Inaktivierungszeitkonstante bezeichnet (Quelle: Destexhe & Huguenard, 2007 ).

Ähnliche Formeln gelten für die Assoziations- und Dissoziationskonstanten in Liganden-betriebenen Kanälen, wo der Zeitpunkt der Aktivierung und Inaktivierung durch die Affinität des Liganden für den Rezeptor beeinflusst wird.

^{Abb. 2. Ionenkanal-Gating. Quelle: Lehmann-Horne & Jurkatt-Rott (1999)}

<sub>Referenzen
- Lehmann-Horne & Jurkatt-Rott, Physiol Rev (1999); 79 (4): 1317–72
– Sig, J. Gen. Physiol (2014); 144 (1) 7–26
– Wang et al ., J Physiol (2004); 557 (3): 705–17</sub>