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Der Einfluss lokaler Ionenkonzentrationsänderungen in Membrannähe bei Voltage-Clamp-Messungen am Modellsystem Skelettmuskel

Ehmer, Thomas

English Title: The influence of ion concentration changes around membranes during voltage clamp experiments: modelsystem skeletal muscle

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PDF, German
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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode entwickelt , die es zum ersten Mal ermöglicht, den Einfluß von extrazellulären Konzentrationsänderungen auf den Stromverlauf bei Voltage-Clamp Experimenten quantitativ zu untersuchen. Als Modellsystem wurde der Skelettmuskel gewählt, wobei zwischen Ca2+-Strömen und K+-Strömen unterschieden wurde, die exemplarisch als Anwendungsbeispiel für physiologisch wichtige Ionenströme untersucht wurden. Bei dieser Methode werden experimentell elektrophysiologisch aufgenommene Ca2+-Ströme in gepufferter Ca2+-Lösung als Eingabedaten für eine numerische Simulation benutzt, die den zeitlichen Verlauf des Ca2+-Stroms berechnet, wie er ohne extrazellulären Puffer gemessen worden wäre. Diese Berechnungen werden direkt mit experimentellen Messungen der selben Muskelfaser in ungepufferter Lösung verglichen. Die vorgestellten numerischen Ergebnisse bestätigen die „Depletion-Hypothese“, d. h. die Hypothese, daß extrazelluläre Konzentrationsänderungen im TTS des Skelettmuskels den zeitlichen Verlauf signifikant beeinflussen. Interessanterweise wird zur Beschreibung der zeitlichen Entwicklung der Ca2+-Ströme keine zusätzlichen Ca2+-induzierte Inaktivierung benötigt um eine sehr gute Übereinstimmung der simulierten Daten mit den experimentellen Daten zu erreichen. Im weiteren Anwendungsbeispiel wurde der Kaliumstrom von erschöpften Muskelfasern (M. Sartorius, Rana temporaria) untersucht. Die berechnenten Ströme und der Einfluß der Konzentrationsänderung wurde mit experementellen Messungen verglichen. Dabei stellte sich heraus, daß die Kanaldichte des ATP-abhängigen Kaliumkanals (KATP) im TTS nur etwa 20 bis 40 der Kanaldichte der Oberflächenmembran betragen kann. Anhand von Kanaldichten für den Delayed-Rectifier liegt der ermittelte Wert im gleichen Bereich. Bei der Analyse wurde ein Flächenverhältnis von TTS zu Gesamtmembran von fT=66 angenommen.

Translation of abstract (English)

In this work, a new method is developed and presented to quantitatively analyse the influence of ion concentration changes during voltage clamp experiments. According to the Nernst-equation, these concentration changes distort the recorded ion currents. The effect is most prominent in near membrane regions, where only slow exchange with the bathing solution is possible due to restricted difusional access. Therefore the experimentally recorded current differs from the intrinsic channel kinetics. As a model-system, the transverse tubular system (TTS) of the skeletal muscle was chosen, the physiologically important calcium currents and potassium currents have been investigated separately. The method uses experimentally recorded Ca2+ currents from Ca2+-buffered extracellular solution (where ion depletion is suppressed) as input file and calculates the influence ion depletion in the TTS on the time course of the current. The simulation output is compared with measurements from the same fiber in unbuffered solution, where depletion occurs. The results presented in this work confirm the depletion hypothesis, i.e. the significant influence of concentration changes on the time course of the recorded currents under physiological conditions. In another example the K-ATP currents have been reconstructed for exhausted single skeletal muscle fibers. Using the method, it was possible to predict a modified K-ATP channel density in the TTS compared to the 'apparent' surface membrane. Using the ratio fT=66 (TTS-membrane compared to total membrane) a channel density of 20 to 40

Item Type: Dissertation
Supervisor: Fink, Prof. Dr. Rainer H. A.
Date of thesis defense: 18. July 2000
Date Deposited: 10. Aug 2000 00:00
Date: 2000
Faculties / Institutes: Medizinische Fakultät Heidelberg > Institut fuer Physiologie und Pathophysiologie
Subjects: 610 Medical sciences Medicine
Controlled Keywords: Elektrophysiologie, Direkte numerische Simulation, Voltage-Clamp-Methode, Muskel, Ionenkanal
Uncontrolled Keywords: Ionenkonzentration , Konzentrationsänderung , Ionenkanaldichte , Calciumstromelectrophysiology , numerical simulation , ion current , ion concentration change , muscle
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