Biomembranen an Grenzflächen und in synaptischer Geometrie
Eine Computersimulation
Membranes at borders and in restricted geometries
computer simulations
von Volker Binding
Datum der mündl. Prüfung:2000-11-01
Erschienen:2001-02-22
Betreuer:Prof. Dr. Reiner Kree
Gutachter:Prof. Dr. Reiner Kree
Gutachter:Prof. Dr. Annette Zippelius
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
Inhomogeneous distributions of ion channels are ubiquitous in biological membranes and important for many biological functions. Therefore many theoretical models have been set up, which try to explain the emergence of observed patterns. On the other hand little is known about the quantitative response of an inhomogeneous distribution of ion channels.In the first part of these computer simulatuions the modifications of the current response to voltage pulses are studied. They can be induced by the shape of an inhomogeneous distribution of ion channels in membranes close to electrically insulating surfaces (like other membranes or glass walls). Rather large deviations from the response of a homogeneous ensemble may be seen. Even qualitative changes in the kinetics (e.g. an apparent inactivation behaviour of standard potassium channels) can be observed. If the channels are mobile and carry electrophoretic charges, dissipative patterns of channel proteins may occur. Studiing the effects of repititive stimulation by voltage pulses on such a system significant changes in the current response on a time scale of a few seconds are found. This indicates, that a complete analysis of experimentally obtained current responses requires both a model of the channel kinetics and a model of the distribution of ion channels over the membrane.In a second part the influence of the geometry of the synaptic cleft on the current response of the postsynaptic terminal is studied. It is shown that the current flow through AMPA channels in a CA3 synapse is sufficient to remove the voltage dependent magnesium block of NMDA channels in the center of the postsynaptic membrane. Usually the NMDA channels are supposed to detect pre- and postsynaptic depolarization because of their ligand and voltage dependend open probability. So their role in functional synapses regarding Hebb s learning hypothesis has to be reconsidered. Maybe silent synapses are good candidates for Hebb s learning.
Keywords: simulations; membrane; synapse; pattern formation; ion channel
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Inhomogene Ionenkanalverteilungen sind in biologischen Systemen weit verbreitet und sind wichtig für viele biologische Funktionen. Es gibt eine Vielzahl theoretischer Modelle, die die beobachteten Muster zu erklären versuchen. Andererseits ist wenig über den Einfluß inhomogener Ionenkanalverteilungen auf die Stromantwort eines Systems auf einen Reiz hin bekannt.Im ersten Teil der Computersimulationen werden Modifikationen der Stromantwort eines durch Spannungspulse stimulierten Systems untersucht. Diese entstehen aufgrund verschiedener Formen inhomogener Ionenkanalverteilungen in einer Membran dicht an einer elektrisch isolierenden Oberfläche (z. B. eine andere Membran oder Glas) untersucht. Es zeigt sich, daß signifikante Abweichungen im Vergleich zu einer homogenen Ionenkanalverteilung möglich sind. Selbst qualitative Unterschiede in der Kinetik (z. B. eine scheinbare Inaktivierung des Standard-Kalziumkanals) werden beobachtet.Sind die Kanäle in der Membran beweglich und tragen elektrophoretische Ladungen, können dissipative Muster in der Ionenkanaldichte auftreten. Eine Untersuchung dieser Effekte durch wiederholte Stimulation durch Spannungspulse läßt signifikante Änderungen in der Stromantwort auf einer Zeitskala von wenigen Sekunden erkennen. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, daß zu einer vollständigen Analyse experimentell bestimmter Stromantworten sowohl ein Modell der Ionenkanalkinetiken als auch ein Modell der Ionenkanalverteilungen in der Membran erforderlich ist.In einem zweiten Teil wird der Einfluß des schmalen synaptischen Spalts auf die Stromantwort der postssynaptischen Membran einer CA3-Synapse untersucht. Es stellt sich heraus, daß der Stromfluß durch AMPA-Kanäle in einer synaptischen Geometrie ausreicht, um den spannungsabhängigen Block von im Zentrum der Membran befindlichen NMDA-Kanälen aufzuheben. Da NMDA-Kanälen üblicherweise aufgrund ihrer spannungs- und ligandenabhängigen Offenwahrscheinlichkeit eine Detektorfunktion gleichzeitiger prä- und postsynaptischer Erregung in funktionalen Synapsen zugeschrieben wird, muß ihre Rolle bzgl. der Hebb´schen Lernregel überdacht werden. Möglicherweise sind sogenannte schweigende Synapsen gute Kandidaten für Hebb sches Lernen.
Schlagwörter: Computersimulationen; Membran; Synapse; Musterbildung; Ionenkanal