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type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Ehmer, Thomas
title: Der Einfluss lokaler Ionenkonzentrationsänderungen in Membrannähe bei Voltage-Clamp-Messungen am Modellsystem Skelettmuskel
title_en: The influence of ion concentration changes around membranes during voltage clamp experiments: modelsystem skeletal muscle
ispublished: pub
subjects: 610
divisions: 53200
adv_faculty: af-05
keywords: Ionenkonzentration , Konzentrationsänderung , Ionenkanaldichte , Calciumstromelectrophysiology , numerical simulation , ion current , ion concentration change , muscle
cterms_swd: Elektrophysiologie
cterms_swd: Direkte numerische Simulation
cterms_swd: Voltage-Clamp-Methode
cterms_swd: Muskel
cterms_swd: Ionenkanal
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.  
abstract_translated_text: 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 
abstract_translated_lang: eng
class_scheme: mesh
class_labels: transverse tubular system, ion currents, ion concentration, simulation, electrophysiology, TTS
date: 2000
date_type: published
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00000931
ppn_swb: 1643165917
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-opus-9318
date_accepted: 2000-07-18
advisor: HASH(0x556120c93260)
language: ger
bibsort: EHMERTHOMADEREINFLUS2000
full_text_status: public
citation:   Ehmer, Thomas  (2000) Der Einfluss lokaler Ionenkonzentrationsänderungen in Membrannähe bei Voltage-Clamp-Messungen am Modellsystem Skelettmuskel.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/931/1/Ehmer_Thomas_Dissertation.pdf