IP₃-Rezeptor im Geist von Li–Rinzel: cytosolisches Ca²⁺, Vorrat im ER, calciuminduzierte Freisetzung, SERCA-Pumpe, Flüsse und Phasenportrait Ca–h.
Einzelzellmodell zeitlicher Calcium-Oszillationen. Räumliche Calciumwellen brauchen Diffusion und gekoppelte Zellen; der ER-Vorrat ist hier skaliert, damit er in die Grafik des cytosolischen Ca passt.
Diagramme
Zum Modell
Der Calcium-Oszillator am IP₃-Rezeptor entsteht, wenn cytosolisches Calcium pulsiert: IP₃ öffnet Kanäle des endoplasmatischen Retikulums, ausgetretenes Ca²⁺ verstärkt die Freisetzung, danach inaktiviert der Kanal, und die SERCA-Pumpe pumpt die Ionen zurück. Kompaktes Modell des IP₃-Rezeptors im Geist von Li–Rinzel für eine Zelle ohne räumliche Struktur: cytosolisches Calcium c, Vorrat im ER c_ER = (c0 − c)/c1, langsames Tor h. Oszillationen liegen im mittleren IP₃-Fenster: niedriger Spiegel — Ruhe, mittlerer — wiederholte Impulse, hoher — erhöhtes Stationärniveau. Auf dem Bildschirm: c(t), ER-Vorrat, Freisetzungs- und SERCA-Flüsse, Phasenportrait (c, h). Räumliche Calciumwellen brauchen Diffusion zwischen Gebieten; hier nur der lokale Oszillator.
Für wen: Zellphysiologie und Biophysik: Calciumsignal, IP₃-Rezeptor, Grenzzyklus.
Wichtige Begriffe
IP₃-Rezeptor
endoplasmatisches Retikulum
SERCA-Pumpe
Li-Rinzel-Modell
calciuminduzierte Calciumfreisetzung
Phasenportrait
Inaktivierungstor
So funktioniert es
IP₃ öffnet Rezeptoren des ER, Ca²⁺ verstärkt die Freisetzung (calciuminduzierte Calciumfreisetzung), hohes cytosolisches Ca senkt aber langsam das Tor h. Die SERCA-Pumpe bringt Ca ins ER zurück. Im mittleren IP₃-Fenster entsteht ein Grenzzyklus: Grafiken von c(t), ER-Vorrat, Freisetzungs- und Pumpenflüssen und die Phasenschleife (c,h).
Wichtige Gleichungen
dc/dt = c₁(J_IP3R + J_leak) − J_SERCA, dh/dt = (h∞(c,p) − h)/τ_h, with c_ER = (c₀ − c)/c₁. IP₃ and Ca activate release; high Ca lowers h.
Häufige Fragen
Warum oszilliert Calcium, statt nur ins Stationäre zu laufen?
Calcium verstärkt die eigene Freisetzung aus dem ER, inaktiviert diesen Kanal aber verzögert über das Tor h. Die Pumpe senkt danach das cytosolische Ca und füllt den Vorrat, die Tore erholen sich, und ein neuer Impuls kann beginnen.
Sind das räumliche Calciumwellen?
Nein. Hier ist eine Zelle ohne räumliche Struktur. Wellen brauchen Diffusion und Kopplung zwischen Gebieten; der lokale Oszillator aus Freisetzung und Erholung ist ihre Grundlage.
Worauf soll man im Phasenportrait achten?
Eine geschlossene Schleife in der Ebene (c, h) ist ein Grenzzyklus: schnelle Freisetzung hebt c, h fällt langsam, der Kanal schließt, danach fällt c, und h erholt sich.