Biomembranen an Grenzflächen und in synaptischer Geometrie

Abstract

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.